Морфогенетические разновидности оксигидроксидов железа в мерцающих курильщиках-диффузерах на гидротермальном поле Рейнбоу (36°13′ с.ш., 33°54′ з.д., Срединно-Атлантический хребет): данные ЛА-ИСП-МС для развития теории гальмиролиза

Объектами исследования являются оксигидроксиды железа, покрывающие и замещающие трубы мерцающих курильщиков-диффузеров гидротермального поля Рейнбоу (САХ). Цель работы. Определить концентрации и ассоциации химических элементов в разновидностях оксигидроксидов железа для выявления закономерностей геохимической дифференциации в условиях гальмиролиза сульфидных труб курильщиков-диффузеров. Материалы и методы. Образцы отобраны во время погружения на глубине 2317 м с использованием ручного манипулятора обитаемого аппарата “Мир-2” (рейс №50, судно “Академик Мстислав Келдыш”, 2005 г.). Разновидности оксигидроксидов железа диагностированы с применением сканирующих электронных (РЭММА-202М с ЭДС LZ-5 Link и Tescan Vega 3 sbu с энергодисперсионным анализатором Oxford Instruments X-act) и электронно-зондового (Jeol Superprobe 733 с ЭДС Oxford Instruments INCAx-sight) микроскопов, порошковой рентгеновской дифрактометрии (рентгеновский дифрактометр SHIMADZU XRD-6000, CuK-α излучение с монохроматором) и проанализированы методом масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и лазерной абляцией (ЛА-ИСП-МС) в Центре коллективного пользования Южно-Уральского федерального научного центра минералогии и геоэкологии УрО РАН. Результаты. Микрослоистые агрегаты гетита, содержащие примесь барита, кальцита, арагонита, опала, самородной серы, ковеллина, сфалерита и рентгеноаморфной оксигидроксидной фазы железа, покрывают трубы мерцающих курильщиков-диффузеров. По направлению к внутренним частям оболочек труб они сменяются псевдоморфозами лепидокрокита по пириту и пирротину, а затем радиально-пластинчатыми и бактериоморфными крустификациями лепидокрокита. Методом ЛА-ИСП-МС установлено, что все разновидности оксигидроксидов железа характеризуются повышенными содержаниями Zn и Co в ассоциации с другими элементами, свойственными для среднетемпературных гидротермальных флюидов (Cd, Mn, Ni, Ga, Sn, Pb и Sb) при отсутствии существенных концентраций элементов высокотемпературной гидротермальной ассоциации (Se, Bi, Te). По мере перехода от поверхностных слоистых агрегатов гетита к агрегатам лепидокрокита роль элементов гидрогенной ассоциации (Mg, Na, К, Sr, U, V, As, Mo, Ni, P, B, W, Cs и РЗЭ) снижается. Для элементов с разной валентностью (U, V, Mo, As, Cr, Eu) предлагаются различные механизмы накопления в условиях гальмиролиза сульфидов и осаждения на локальных окислительно-восстановительных барьерах. Предполагается, что часть микроэлементов (Sr, V, As, P, PЗЭ), обнаруженных в гетите, являются продуктами сорбции на гидроксидах железа или входят в состав невидимых Fe-Ca гидроксофосфатов. Вывод. Выявлено влияние гальмиролиза сульфидов на дифференциацию химических элементов. 

1. Богданов Ю.А., Бортников Н.С., Викентьев И.В. и др. (2002) Минералого-геохимические особенности гидротермальных сульфидных руд поля Рейнбоу, ассоциированного с серпентинитами, САХ (36°04’ с.ш.). Геология руд. месторожд., 44(6), 510-542.

2. Богданов Ю.А., Бортников Н.С., Викентьев И.В. и др. (1997) Новый тип современной минералообразующей системы: “черные курильщики” гидротермального поля 14°45ʹ с.ш., Срединно-Атлантический хребет. Геология руд. месторожд., 39(1), 68-90.

3. Богданов Ю.А., Леин А.Ю., Лисицын А.П. (2015) Полиметаллические руды в рифтах Срединно-Атлантического хребта (15–40° с.ш.): минералогия, геохимия, генезис. М.: ГЕОС, 256 c.

4. Богданов Ю.А., Лисицын А.П., Сагалевич А.М., Гурвич Е.Г. (2006) Гидротермальный рудогенез океанского дна. М.: Наука, 527 с.

5. Богданов Ю.А., Сагалевич А.М., Гурвич Е.Г. и др. (1999) Подводные геологические исследования гидротермального поля Рейнбоу (Срединно-Атлантический хребет). Докл. РАН, 365(5), 657-662.

6. Бородаев Ю.С., Мозгова Н.Н., Габлина И.Ф. и др. (2004) Зональные трубки “черных курильщиков” из гидротермального поля Рейнбоу (САХ 36°14′ с.ш.). Вестн. МГУ. Сер. 4. Геол., 3, 35-48.

7. Викентьев И.В., Бортников Н.С., Богданов Ю.А. и др. (2000) Минералогия гидротермальных отложений поля Рейнбоу в районе Азор (Атлантика). Металлогения древних и современных океанов – 2000. Миасс: УрО РАН, 103-109.

8. Водяницкий Ю.Н. (2010) Гидроксиды железа в почвах (обзор литературы). Почвоведение, (11), 1341-1352.

9. Габлина И.Ф., Бородаев Ю.С., Мозгова Н.Н., Богданов Ю.А., Кузнецова О.Ю., Старостин В.И., Фардуст Ф. (2004) Тетрагональная форма Cu2-xS в современных гидротермальных рудах Рейнбоу (Срединно-Атлантический хребет, 36°14′ с.ш). Новые данные о минералах, 39, 102-109.

10. Дубинин А.В. (2006) Геохимия редкоземельных элементов в океане. М.: Наука, 364 c.

11. Леин А.Ю., Кравчишина М.Д. (2021) Геохимический цикл бария в океане. Литология и полезн. ископаемые, 4, 293-310.

12. Леин А.Ю., Черкашев Г.А., Ульянов А.А. и др. (2003) Минералогия и геохимия сульфидных руд полей Логачев-2 и Рейнбоу: черты сходства и различия. Геохимия, 3, 304-328.

13. Масленников В.В. (2006) Литогенез и колчеданообразование. Миасс: ИМин УрО РАН, 384 с.

14. Масленников В.В. (2012) Морфогенетические типы колчеданных залежей как отражение режима вулканизмы. Литосфера, 5, 96-113.

15. Масленников В.В. (1999) Седиментогенез, гальмиролиз и экология колчеданоносных палеогидротермальных полей (на примере Южного Урала). Миасс: Геотур, 348 с.

16. Масленников В.В., Аюпова Н.Р., Масленникова С.П., Целуйко А.С. (2016) Гидротермальные биоморфозы колчеданных месторождений: микротекстуры, микроэлементы и критерии обнаружения. Екатеринбург: РИО УрО РАН, 388 с.

17. Масленников В.В., Зайков В.В. (1991) О разрушении и окислении сульфидных холмов на дне Уральского палеоокеана. Докл. АН СССР, 319(6), 1434-1437.

18. Масленников В.В., Масленникова С.П., Леин А.Ю. (2019) Минералогия и геохимия древних и современных черных курильщиков. М.: Росс. академия наук, 832 с.

19. Мозгова Н.Н., Бородаев Ю.С., Габлина И.Ф. Черкашев Г.А., Степанова Т.В. (2005) Минеральные ассоциации как показатели степени зрелости океанских гидротермальных сульфидных построек. Литология и полезн. ископаемые, 4, 339-367.

20. Михайличенко А.И., Миклин Е.Б., Патрикеев Ю.Б. (1987) Редкоземельные металлы. М.: Металлургия, 232 c.

21. Смирнов В.И. (1981) Корреляционные методы при парагенетическом анализе. М.: Недра, 174 с.

22. Anantharamaiah P.N., Pattayil J. (2017) Effect of size and site preference of trivalent non-magnetic metal ions (Al3+, Ga3+, In3+) substituted for Fe3+ on the magnetostructive properties of sintered CoFe2O4. J. Phys. D Appl. Phys., 50, 435005.

23. Ayupova N.R., Melekestseva I.Y., Maslennikov V.V., Tseluyko A.S., Blinov I.A., Beltenev V.E. (2018) Uranium accumulation in modern and ancient Fe-oxide sediments: Examples from the Ashadze-2 hydrothermal sulfide field (Mid-Atlantic Ridge) and Yubileynoe massive sulfide deposit (South Urals. Russia). Sediment. Geol., 367, 164-174.

24. Barrett T.J., Jarvis I., Jarvis K. (1990) Rare earth element geochemistry of massive sulfides-sulfates and gossans on the southern Explorer Ridge. Geology, 18, 583-586.

25. Bruemmer G.W., Gerth J., Tiller K.G. (1988) Reaction kinetics of the adsorption and desorption of nickel, zinc and cadmium by goethite. I. Adsorption and diffusion of metals. Eur. J. Soil Sci., 39, 37-52.

26. Butler I.B., Nesbitt R.W. (1999) Trace element distributions in the chalcopyrite wall of a black smoker chimney: Insights from laser ablation inductively-coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS). Earth Planet. Sci. Lett., 167, 335-345.

27. Cook N.J., Ciobanu C.L., Pring A., Skinner W., Shimizu M., Danyushevsky L., Saini-Eidukat B., Melcher F. (2009) Trace and minor elements in sphalerite: A LA-ICP-MS study. Geochim. Cosmochim. Acta, 73, 4761-4791.

28. Dekov V., Boycheva T., Hålenius U., Petersen S., Billström K., Stummeyer J., Kamenov G., Shanks W. (2011) Atacamite and paratacamite from the ultramafic-hosted Logatchev seafloor vent field (14°45ʹ N, Mid-Atlantic Ridge). Chem. Geol., 286, 169-184.

29. Dubinin A.V. (2001) Geochemistry of iron-calcium hydroxophosphates in pelagic sediments: Origin and compositional evolution in the course of diagenesis. Geochem. Int., 39, 585-596.

30. Edmonds H.N., German C.R. (2004) Particle geochemistry in the Rainbow hydrothermal plume, Mid-Atlantic Ridge. Geochim. Cosmochim. Acta, 68, 759-772.

31. Edwards K.J. (2004) Formation and Degradation of Seafloor Hydrothermal Sulfide Deposits. Spec. Pap. Geol. Soc. Amer., 379, 83-96.

32. Feely R.A., Tefry J.H., Massoth G.J., Metz S. (1991) A comparison of the scavenging of phosphate and arsenic from seawater by hydrothermal iron oxyhydroxides in the Atlantic and Pacific Ocean. Deep-Sea Res., 38, 617-623.

33. Fouquet Y., Charlou J.l., Ondréas H. et al. (1997) Discovery and first submersible investigations on the Rainbow Hydrothermal Field on the MAR (36°14ʹ N). EOS (Transactions, American Geophysical union), 78, F832.

34. Georgieva M.N., Little C.T.S., Herrington R.J., Boyce A.J., Zerkle A.L., Maslennikov V.V., EIMF, Glover A.G. (2022) Sulfur isotopes of hydrothermal vent fossils and insights into microbial sulfur cycling within a lower Paleozoic (Ordovician-early Silurian) vent community. Geobiology, 20(4), 465-478.

35. German C.R., Colley S., Palmer M.R., Khripounoff A., Klinkhammer G.P. (2002) Hydrothermal plume-particle fluxes at 13° N on the East Pacific Rise. Deep. Sea Res. Pt I. Oceanogr. Res. Pap., 49, 1921-1940.

36. German Ch.R., Klinkhammer G.P., Rudnicki M.D. (1996) The Rainbow hydrothermal plume, 36°15′N, MAR. Geophys. Res. Lett., 23(21), 2979-2982.

37. Gurvich E.G. (2006) Metalliferous Sediments of the World Ocean. Berlin, Springer, 430 p.

38. Halbach P., Blum N., Münch U., Plüger W., Garbe-Schönberg D., Zimmer M. (1998) Formation and decay of a modern massive sulfide deposit in the Indian Ocean. Miner. Depos., 33, 302-309.

39. Halbach P.E., Fouquet Y., Herzig P. (2003) Mineralization and compositional patterns in deepsea hydrothermal systems. Energy and Mass Transfer in Marine hydrothermal. (Eds P.E. Halbach, V. Tunnicliffe, J.R. Hein). Berlin, Dahlem Univ. Press, 85-122.

40. Hannington M.D. (1993) The formation of atacamite during weathering of sulfides on the modern seafloor. Canad. Mineral., 31, 945-956.

41. Hannington M.D., Thompson G., Rona P.A., Scott S.D. (1988) Gold and native copper in supergene sulphides from the Mid-Atlantic Ridge. Nature, 333, 64-66.

42. Hekinian R., Hoffert M., Larque P., Cheminee J.L., Stoffers P., Bideau D. (1993) Hydrothermal Fe and Si oxyhydroxide deposits from South Pacific intraplate volcanoes and East Pacific rise axial and off-axial regions. Econ. Geol., 88, 2099-2121.

43. Herzig P.M., Hannington M.D., Scott S.D., Maliotis G., Rona P.A., Thompson G. (1991) Gold-rich sea-floor gossans in the Troodos Ophiolite and on the Mid-Atlantic Ridge. Econ. Geol., 86, 1747-1755.

44. Hrischeva E., Scott S.D. (2007) Geochemistry and morphology of metalliferous sediments and oxyhydroxides from the Endeavoursegment, Juan de Fuca Ridge. Geochim. Cosmochim. Acta, 71, 3476-3497.

45. Lalou C., Brichet E. (1980) Anomalously high uranium contents in the sediment under Galapagos hydrothermal mounds. Nature, 284, 251-253.

46. Lein A.Y., Bogdanov Y.A., Maslennikov V.V., Li S., Ulyanova N.V., Maslennikova S.P., Ulyanov A.A. (2010) Sulfide minerals in the Menez Gwen nonmetallic hydrothermal field (Mid-Atlantic Ridge). Lithol. Miner. Resour., 45, 305-323.

47. Li X., Wang J., Chu F., Wang H., Li Z., Yu X., Bi D., He Y. (2016) Variability of Fe isotope compositions of hydrothermal sulfides and oxidation products at mid-ocean ridges. J. Mar. Syst., 180, 191-196.

48. Lyutkevich A.D., Gablina I.F., Dara O.M., Yapaskurt V.O., Shcherbakov V.D., Somov P.A. (2022) Mineral Phases of Zinc in Ore-Bearing Sediments of the Pobeda Hydrothermal Cluster (17°07ʹ45ʹʹ–17°08ʹ70ʹʹ N MAR). Lithol. Miner. Resour., 57, 404-420.

49. Martin F., Petit S., Decarreu A., Ildefonse P., Graubit O., Beziat D., de Parseval P., Noa Y. (1998) Ga/Al substitutions in synthetic kaolinites and smectites. Clay Miner., 33, 231-241.

50. Martinez-Ruiz F., Paytan A.M., Gonzalez-Muñoz T., Jroundi F., Abad M.M., Lam P.J., Bishop K.B., Horner T.J., Morton P.L., Kastner M. (2019) Barite formation in the ocean: Origin of amorphous and crystalline precipitates. Chem. Geol., 511, 441-451.

51. Maslennikov V.V., Cherkashov G.A., Firstova A.V., Ayupova N.R., Beltenev V.E., Melekestseva I.Yu., Artemyev D.A., Tseluyko A.S., Blinov I.A. (2023) Trace Element Assemblages of Pseudomorphic Iron Oxyhydroxides of the Pobeda-1 Hydrothermal Field, 17°08ʹ70ʹʹ N, Mid-Atlantic Ridge: The Development of a Halmyrolysis Model from LA-ICP-MS Data. Minerals., 4(4).

52. Melekestseva I., Maslennikov V.V., Tret’yakov G., Maslennikova S.P., Danyushevsky L., Large R., Beltenev V., Khvorov A. (2020) TE geochemistry of sulfides from the Ashadze-2 hydrothermal field (12°5.80 N. Mid-Atlantic Ridge): Influence of host rocks formation conditions or seawater? Minerals, 10, 743.

53. Meng X., Jin X., Li X., Chu F., Zhang W., Wang H., Zhu J., Li Z. (2021) Mineralogy and geochemistry of secondary minerals and oxyhydroxides from the Xunmei hydrothermal field, Southern Mid-Atlantic Ridge (26°S): Insights for metal mobilization during the oxidation of submarine sulfides. Mar. Geol., 442, 106654.

54. Mills R.A., Elderfield H. (1995) Rare earth element geochemistry of hydrothermal deposits from the active TAG Mound. 26°NMid-Atlantic Ridge. Geochim. Cosmochim. Acta, 59, 3511-3524.

55. Mills R.A., Thomson J., Elderfield H., Hinton R.W., Hyslop E. (1994) Uranium enrichment in metalliferous sediments from the Mid-Atlantic Ridge. Earth Planet. Sci. Lett., 124, 35-47.

56. Mitra A., Elderfield H., Greaves M.J. (1994) Rare earth elements in submarine hydrothermal fluids and plumes from the Mid-Atlantic Ridge. Mar. Chem., 47, 217-236.

57. Monecke T., Petersen S., Hannington M.D., Grant H., Samson I.M. (2016) The minor element endowment of modern sea-floor massive sulfides and comparison with deposits hosted in ancient volcanic successions. Econ. Geol., 18, 245-306.

58. Parson L., Fouquet Y., Ondréas H., Barriga F.J.A.S., Relvas J.M.R., Ribeiro A., Charlou J.L., German C. (1997) Non-Transform discontinuity settings for contrasting hydrothermal systems on the MAR-Rainbow and FAMOUS at 36º14’ and 36º34’N. EOS Abstract, 78(46), 832.

59. Popoola S.O., Han X., Wang Y., Qiu Z., Ye Y., Cai Y. (2019) Geochemical investigations of Fe-Si-Mn oxyhydroxides deposits in Wocan hydrothermal field on the slowspreading Carlsberg Ridge, Indian Ocean: Constraints on their types and origin. Minerals, 9, 19.

60. Ridley W.I. (2012) Weathering processes. Volcanogenic Massive Sulfide Occurrence Model. (Eds W.C. Shanks, R. Thurston). Report 2010–5070-C, U.S. Geological Survey Scientific Investigations: Reston, VA, USA, 195-201. Rudnicki M., Elderfield H. (1993) A chemical model of the buoyant and neutrally buoyant plume above the TAG vent field, 26 degrees N, Mid-Atlantic Ridge. Geochim. Cosmochim. Acta, 57, 2939-2957.

61. Schwertmann U., Taylor R.M. (1989) Iron oxides. Minerals in soil environments. (Еds J.B. Dixon, S.B. Weed). Soil Science Society America, Madison, 379-438.

62. Sverjevsky D.A. (1984) Europium redox equilibria in agueous solution. Earth Planet. Sci. Lett., 67, 70-78.

63. Toner B.M., Rouxel O., Santelli C.M., Edwards K.J. (2008) Sea-floor weathering of hydrothermal chimney sulfides at the East Pacific rise 9°N: Chemical speciation and isotopic signature of Iron using X-ray absorption spectroscopy and laser ablation MC-ICP-MS. Geochim. Cosmochim. Acta Suppl., 72, A951.