"Метановый" графит в позднеархейских кристаллических сланцах (Кольский полуостров)
Автор: Ветошкина О.С., Голубева И.И.
Журнал: Вестник геонаук @vestnik-geo
Статья в выпуске: 4 (208), 2012 года.
Бесплатный доступ
Проведено исследование изотопного состава углерода в углеродсодержащем веществе из позднеархейских кристаллических сланцев (Кольский п-ов). Установлено, что содержание углерода в породе варьируется от 0.71 до 1.83 %. Он характеризуется чрезвычайно низким значением d13С, а именно от –45.7 до –31.7 ‰. Формирование углеродного вещества, по-видимому, происходило в процессе окисления метана.
Изотопный состав углерода, черные сланцы, графит, архей, серия кейв
Короткий адрес: https://sciup.org/149129068
IDR: 149129068
Текст научной статьи "Метановый" графит в позднеархейских кристаллических сланцах (Кольский полуостров)
Проблема идентификации природы углеродного вещества в архейских осадочных и особенно в черно-сланцевых толщах актуальна в связи с обнаружением признаков жизни, зафиксированных в древних породах. Изотопный состав углерода в породах архея является чрезвычайно важным биогеохимическим индикатором присутствия жизни на поверхности ранней Земли.
Использование соотношения стабильных изотопов ограничивается постседиментационной историей пород, в первую очередь степенью метаморфического изменения вслед за формированием древних пород.
Углеродное вещество в составе кристаллических сланцев из серии кейв ранее исследовалось С. А. Сидоренко и А. В. Сидоренко [6]. Они установили, что величина 513С графито-идов составляет —34.9 %о, что позволило им сделать вывод о биогенной природе выделений углерода в метаморфических породах докембрия.
В нашей статье приводятся новые данные по изотопному составу графита из кейвской серии позднеархейских пород Кольского п-ова, которые можно использовать для диагностики его природы.
Под изотопным составом понимают отношения малораспространенного изотопа элемента к более распространенному, выражаемые обычно в виде величины 5, представляющей собой отклонение (в %о) от условного стандарта и вычисляемой по следующей формуле:
-
5 =1000 (К о б р -Кста нд )/КСТ анд ^ где R — отношение распространенности тяжелого изотопа к легкому изотопу, т. е. для изотопов углерода 13C/12C, для изотопов азота 15N/14N, Rобр — индекс, соответствующий исследуемому образцу, Rстанд— индекс, соответствующий стандартному образцу.
Общепринятым стандартом при изотопном анализе углерода является PDB, представляющий собой кальцит окаменелости Belemnitella americana мелового возраста, у которого 13С/ 12СPDB = 0.0112372. Для азота стандартом является атмосферный азот, имеющий 15N/14N = 0.0036765.
Методы исследования
Определение изотопного состава углерода и азота в породах было выполнено на масс-спектрометре Finnigan Delta V Advantage (Thermo Fisher Scientific), соединенном с элементным анализатором EA 1112 посредством интерфейсного блока ConFlow
IV (система EA-IRMS). Разделенные газы CO2, H2O, N 2 и оксиды азота, полученные путем сжигания в кислороде в окислительном реакторе при температуре 1020 °С и восстановленные (оксиды азота) в восстановительном реакторе, через интерфейс ConFlow IV вводились в ионный источник масс-спектрометра для проведения изотопного анализа. Каждый образец анализировался не менее двух раз. Контроль точности основывался на измерениях стандарта USGS 40. Точность измерений изотопного состава углерода стандартных образцов не хуже 0.15 %о. Нужно отметить, что система не была оптимизирована для исследований соотношения изотопов азота и точность этих измерений была несколько меньше, около 0.5 %о.
Определение содержания органического углерода выполнялось методом автоматического кулонометрического титрования по величине pH на углерод с помощью экспресс-ана-лизатора 7529М (аналитик С. А. Забоева).
Графит в породах диагностировался методом рамановской спектроскопии и термическим анализом. Спектры комбинационного рассеяния (КР) света углеродного вещества из кианитовых черных сланцев г. Ма-

нюк и кристаллических ставролит-кианитовых черных сланцев г. Тяпш-Манюк были исследованы на рамановском спектрометре LabRam HR800 Horiba Jobin Yvon (аналитик С. И. Иса-енко). Условия съемки: лазер — 632.8 нм, (Pmax — 20 мВт), решетка спектрографа — 600 ш/мм, конфокальное отверстие — 300 мкм, щель спектрометра — 100 мкм, время экспозиции — 1 с, количество циклов накопления сигнала — 10.
Геологическое положение
Объектами исследования являются графитсодержащие кристаллические сланцы кейвской серии, распространенные в центральной части Кольского полуострова. Они слагают Кейвский синклинорий, осевая часть которого совпадает с возвышенностью Большие Кейвы.
Кейвская серия представлена кристаллическими сланцами червурт-ской и выхчуртской свит. Сланцы несогласно перекрывают породы лебяжинской свиты с конгломерами в основании, содержащие гальку плагио-гранитов архейского фундамента. Породы метаморфизованы в условиях эпидот-амфиболитовой фации регионального метаморфизма [1]. Кристаллические сланцы имеют позднеархейский возраст, определяемый прорывающими их щелочными гранитами возрастом 2.40—2.45 млрд лет и 207Pb/ РЬ206датировками детритовых цирконов, лежащими в интервале
-
2.5—2.9 млрд лет с максимумом 2.75 млрд лет [2].
Изученные нами образцы были отобраны из коренных выходов кристаллических сланцев в районе вершины гор Тяпш-Манюк и Манюк, правого борта реки Подманюк. В районе горы Тяпш-Манюк кристаллические сланцы представлены относительно мелкозернистыми породами черного цвета. Тонкодисперсный графит, обуславливающий черный цвет пород, хорошо диагностируется в виде реликтовых слойков в пойкилоблас-тах ставролита и альбита (рис. 1, а, б), а в основной ткани он равномерно рассеян. Кианит в породах образует радиально-лучистые агрегаты радиусом 3—4 мм, вдоль которых концентрируется графит (рис. 1, в). В скальных выходах правого борта р. Подманюк ставролит-кианит-альбитовые сланцы характеризуются порфиробластической структурой и гранолепи-добластовой основной тканью. Породы приобретают темно-серый цвет за счет рассеянного в основной ткани пылевидного графита. Он же концентрируется в центральных участках пойкилопорфиробласт ставролита, кианита и альбита (рис. 1, г). В черных сланцах, обнажающихся на г. Манюк, наблюдаются кианитовые псевдоморфозы по хиастолиту с характерными структурами «песочных часов» (рис. 1, д). В центральных частях призматических псевдоморфоз графит скапливается в интерстициях крис таллов кианита или в трещинах спайности этого минерала. Основная ткань кристаллических сланцев, сложенная тонкодисперсным графитом и кварцем, развальцована вследствие сдвиговых деформаций с образованием линзовидных обособлений, вдоль которых развиваются мозаичный кварц, серицит и удлиненные кристаллики рутила коричневого цвета (рис. 1, е).
Результаты исследования и их обсуждение
Изученные нами образцы характеризуются (табл. 1) наиболее изменчивым содержанием SiO2 (57.04— 89.98) и Al 2 O3 (6.34—32.4 %). Высокое содержание кремнезема в породе обр. 16-09К обусловлено процессами окварцевания.
Анализ спектров КР показал, что углеродное вещество по структурному состоянию соответствует графиту (табл. 2).
Термический анализ подтвердил наличие графита в кейвских кристаллических сланцах. Температура максимума экзотермического эффекта изучаемого графита колеблется в интервале 856—860 °С (рис. 2).
В целом характерно относительно высокое содержание углерода (табл. 1) в породах. Концентация Сорг варьируется от 0.71 до 1.83 % и в среднем составляет 1.17 %.
Важная особенность графита в сланцах состоит в значительном его

Рис. 1. Графитсодержащие кристаллические сланцы кейвской серии: а, б — реликтовая слоистость, обусловленная тонкодисперсным графитом (г. Тяпш-Манюк); в — концентрация графита в радиально-лучистом кианите (г. Тяпш-Манюк); г — концентрация тонкодисперсного графита в центральной части порфиробласта ставролита (р. Подманюк); д — черные сланцы с псевдоморфозами кианита по хиастолиту (г. Манюк), е — тонкодисперсный графит в основной ткани кианитовых черных сланцев (г. Манюк)

Таблица 1
Результаты химического (%) и углеродно-изотопного (%о) анализов кристаллических сланцев
Компоненты |
2-09К |
6-09К |
8-09К |
16-09К |
2009-1-К |
Кристаллические ставролит-кианитовые черные сланцы (г. Тяпш-Манюк) |
Кианитовые черные сланцы (г. Манюк) |
Кианитовые черные сланцы (г. Манюк) |
Ставролитсо-держащие кварциты (р. Подманюк) |
Кианитовые черные сланцы (р. Подманюк) |
|
SiO2 |
57.04 |
65.34 |
62.06 |
89.98 |
57.15 |
Т1О. |
1.82 |
1.12 |
0.55 |
0.13 |
1.98 |
А12о"3 |
28.25 |
28.45 |
32.4 |
6.34 |
26.14 |
Fe2O3 |
1.66 |
3.12 |
0.1 |
0.27 |
1.39 |
FeO |
1.94 |
0.62 |
0.1 |
0.13 |
1.96 |
MnO |
0.03 |
0.025 |
0.01 |
0.01 |
0.03 |
CaO |
1.18 |
1.25 |
0.5 |
0.5 |
0.57 |
MgO |
0.93 |
1.38 |
0.5 |
0.5 |
0.34 |
K2O |
1.74 |
2 |
0.4 |
0.97 |
2.7 |
Na^O |
1.32 |
1.65 |
0.21 |
0.47 |
3.23 |
p2o5 |
0.28 |
0.15 |
0.07 |
0.08 |
0.06 |
П.п.п. |
2.59 |
2.5 |
2.64 |
1.22 |
4.45 |
Содержание углерода, % |
0.71 |
1.59 |
1.83 |
0.73 |
0.99 |
Среднее значение 813С, %о РОВ |
-44.1 |
-45.1 |
-45.7 |
-31.8 |
-44.6 |
Стандартное отклонение для двух измерений, %о |
0.25 |
0.2 |
0.1 |
0.1 |
0.0 |
Таблица 2 |
вым организмам, и различным геоло- |
||||
Параметры спектров КР графита из кристаллических сланцев кейвской серии |
гическим объектам [5]. При изотопных исследованиях архейских пород требуется учитывать |
||||
Образец |
Av D, см 1 |
FWHM (D). см 1 |
Av G, см 1 |
FWHM (G), см4 |
|
6 —09К кианитовые черные сланцы (г. Манюк) |
1346 |
30 |
1580 |
16 |
процессы метаморфизма, которые могли повлиять на изотопный состав и осложнить интерпретацию изотоп- |
2 —09 К кристаллические ставролит-кианитовые черные сланцы (г. Тяпш-Манюк) |
1338 |
45 |
1578 |
15 |
ных биомаркеров. Незначительные изменения величины 513C в процессе метаморфизма не могут быть исключены. В соответствии с положениями |
обеднении изотопом 13С. Восстановленное углеродное вещество характеризуется очень низкими значениями 513C от —45.7 до —31.8 %с (табл. 1), со средним —42.3 %о, что значительно меньше, чем величины 513С (от —35 до —15 %о), свойственные органическому веществу [3]. Стандартные от-

Рис. 2. Дифференциальные кривые нагревания (ДТА) и сопряженные с ними кривые изменения веса (ТГА) графита из кристаллических ставролит-кианитовых черных сланцев кейвской серии клонения для двух определений изотопных отношений углерода составляют 0—0.25 %о. Не установлено закономерного изменения изотопного состава углерода (и азота) с вариациями содержания этих элементов в породе.
Следует отметить, что подобные низкие значения 513С (—46.2 + —34.9 %о) восстановленного углерода в черно-сланцевых толщах отмечались и ранее [4, 6, 8, 10].
Четыре образца характеризуются близкими значениями 813С, варьирующими в узком диапазоне от —45.7 до —44.1 %с (табл. 1), что указывает на сходные (в первом приближении) условия образования этих образцов и/ или один и тот же, обедненный изотопом 13C источник углерода. Лишь в одном случае (обр. 16-09К) величина 813С сдвинута в сторону более «тяжелых» масс.
Отношения изотопов азота изменяются в более узком интервале (S15N —6 ^ —5 %о), что соответствует и жи- термодинамики увеличение отношения 13C/12Cb составе остаточного углерода происходит из-за преимущественного удаления 12C из осадочного аморфного органического вещества [7].
При рассмотрении вопроса генезиса исследуемого углеродного вещества обращает на себя внимание факт участия чрезвычайно изотопно-легкого углерода в процессе его формирования. Легкий изотопный состав восстановленного углерода (13Сорг от 44 до 12 %о), по мнению многих исследователей [4 и др.], свидетельствует о высокой биологической активности в период формирования пород докембрия. Присутствие углерода, имеющего такие низкие значения 513C, несомненно, свидетельствует об обогащении метаном осадочных пород в этот период.
По происхождению метан был разделен [11, 12, 14] на три группы: бактериальный (получающийся в результате метаболизма метаногенных микроорганизмов), термогенный
(выделяющийся при высокотемпературном разложении органического вещества) и абиогенный (продукт реакций между простыми неорганическими веществами — CO2 и H2).
Ранее высказывались предположения, что аномальные величины 513С (—45.7 %с ) по сравнению с органическим веществом, вероятно, указывают, что метановые бактерии могли быть вовлечены в процесс минерализации первичного биогенного вещества, то есть являются следствием жизнедеятельности сообществ анаэробных (метаногенных) и аэробных (метанотрофных) микроорганизмов, потребляющих метан, у которого величины 513C ниже чем — 40 %0 [4, 5].
Как показали экспериментальные данные [5], при сравнительно небольших количествах кислорода и заметных количествах метана в древней атмосфере рост метанотрофных бактерий должен был сопровождаться максимальным фракционированием изотопов углерода. При этом, наряду с образованием обедненного изотопом 13С органического вещества ме-танотрофов, продуцировался обеднённый изотопом 13С метаболический СО2, который включался в фотосинтез, образуя также обедненное 13С органическое вещество фототрофов. Высказано предположение [5 и др.] об участии метанотрофных бактерий в образовании обедненного изотопом 13С (до —55 %о) органического вещества в древних осадочных породах (возраст 2.6—2.8 млрд лет и 1.8—2.0 млрд лет), а период, в котором обнаружено органическое вещество, обедненное изотопом 13С, соответствует времени расцвета метанотрофных бактерий на Земле [5].
Результаты исследования [13] показали, что извлеченные из включений в гидротермальных породах (3.5 млрд лет) кратона Пилбара (Австралия) растворы содержат бактериальный метан с изотопным составом углерода ниже чем —56 %о. Тем самым авторы аргументировали присутствие бактериального метаногенеза в очень древних породах (больше чем 3.46 млрд лет) и подтвердили, что бактериальный метан, образовавшийся в результате деятельности древних метаногенов, играл важную роль в регулировании климата в архее.
Однако низкие значения 513С не являются бесспорным доказательством участия бактериального метана в процессе образования углеродного вещества. Генезис метана, предшествовавшего изучаемому веществу, не вполне ясен. Современные исследования соотношения изотопов углерода в различных разновидностях метана [11] дали информацию о его источниках.
Величина 513C (от —45.7 до —44.1 %о) углеродного вещества позволяет предположить, что метан мог быть термогенным. В качестве аргументов в пользу возможного присутствия преимущественно термогенных углеводородов можно привести информацию о величине 513С в природных газах. Биогенным признаком происхождения метана считается изотопный состав углерода ниже —50 %о. Величина 513С термогенного метана варьируется от —50 до —40 %с [12, 9].
Таким образом, метан, предшествовавший исследуемому углеродному веществу имел скорее всего термогенное происхождение, хотя вклад абиогенного (глубинного) углерода в процесс формирования углеродного вещества не может быть полностью исключен. Это предмет будущих исследований.
Заключение
Установлено, что в графите из кристаллических сланцев кейвской серии углерод характеризуется низкой величиной 813С, которая варьируется от —45.7 до —31.7 %о. Данные по изотопии углерода свидетельствуют о различных источниках элемента. Значительное обеднение графита изотопом 13C, вероятно, свидетельствует о том, что предшественником и доминирующим компонентом для него являлся метан как изотопно-легкий источник углерода.
Авторы признательны Т. Г. Шумиловой за критические замечания, а также И. В. Смолевой за помощь при выполнении изотопных исследований в системе EA-MS.
Работа выполнена при финансовой поддержке Программы РАН № 12-П-5-1011.
Список литературы "Метановый" графит в позднеархейских кристаллических сланцах (Кольский полуостров)
- Бельков И. В. Кианитовые сланцы свиты Кейв. М.-Л.: Изд-во АН СССР, 1963. 322 с.
- Бриджуотер Д., Скотт Д., Балаганский В. В. и др. Природа раннедокембрийских метаосадков в Лапландско-Кольском поясе по результатам 207 Pb/ Pb206 датирования единичных зерен циркона и Sm-Nd данным по породам в целом // Доклады АН, 1999. Т. 366. № 5. С. 664-668.
- Галимов Э. М. Природа биологического фракционирования изотопов. М.: Наука, 1981. 247 с.
- Загнитко В. Н., Луговая И. П. Изотопная геохимия карбонатных и железисто-кремнистых пород Украинского щита / Отв. ред. Н. П. Щербак. Киев: Наукова думка, 1989. 316 с.
- Зякун А. М. Теоретические основы изотопной масс-спектрометрии в биологии. Пущино: «Фотон-век», 2010. 224 с.