Физико-химические модели низкотемпературного взаимодействия морской воды и базальтового стекла в присутствии CO2 и CH4

Объекты исследования. Морская вода, базальты и продукты их преобразования. Цель. Оценить особенности поведения химических элементов, минеральных парагенезисов и условий минералообразования при низкотемпературном взаимодействии базальтов с морской водой, в том числе при дополнительном поступлении в систему растворенных CH₄ и СО₂ . Метод. Физико-химическое моделирование взаимодействия морской воды и базальтового стекла выполнялось в программном комплексе “Селектор” в закрытых системах в связи с изменением параметра ξ = –lg(морская вода/базальт – Sw/Bs). Результаты. По данным физико-химического моделирования процесса взаимодействия базальтовых стекол с морской водой (закрытая система) во флюидодоминирующей части модели (ξ > 3) в окислительных условиях отлагаются кварц, гетит, селадонит, шабазит, манганит и гиббсит. По мере нарастания относительного количества прореагировавшего базальта (ξ < 3) снижается Eh, гетит сменяется гематитом и магнетитом в ассоциации с пиритом, сапонитом, хлоритом и цеолитами. При добавлении в систему CH₄ на стадии раннего диагенеза в слабощелочных (pH ≈ 10) и восстановительных условиях (Eh < 0) кварц, гетит и манганит не отлагаются, появляются брусит, хлорит, хризотил и пирит при низкой концентрации Fe в растворе. На стадии позднего диагенеза в щелочных условиях (pH > 10) значительная часть Si и небольшая часть Fe переходят в раствор, при этом, кроме сапонита, хлорита, селадонита, хризотила и цеолитов, в системе доминируют пирит и магнетит. Поступление CO₂ (1 моль/л) в систему существенно меняет картину модели: на ранних этапах (ξ > 5) отлагается лишь халцедон в кислых (pH < 3) окислительных (Eh = 1) условиях. При пониженных значениях Eh в кислых условиях (ξ = 2–3) в раствор переходят повышенные количества Fe и Al, содержания которых резко снижаются в нейтральных и слабощелочных (pH > 8) восстановительных условиях позднего диагенеза. На этой же стадии доминируют силикаты магния, магнетит, пирит и гематит, однако оксиды железа не образуют рудных концентраций в твердофазных продуктах реакций. Вывод. В целом полученные парагенезисы соответствуют природным продуктам диагенеза вулканических стекол базальтового состава.

1. Авдонин В.В., Жегалло Е.А., Сергеева Н.Е. (2019) Бактериальная природа оксидных железомарганцевых руд Мирового океана. М.: ГЕОС, 284 c.

2. Авдонин В.В., Сергеева Н.Е. (2006) Особенности формирования и закономерности размещения оксидных руд мирового океана. Руды и металлы, 56-62.

3. Авдонин В.В., Сергеева Н.Е., Ван К.В. (2007) Генетические особенности состава и строения железомар ганцевых конкреций. Изв. вузов. Геология и разведка, (6), 49-55.

4. Брусницын А.И., Жуков И.Г. (2010) Марганценосные отложения магнитогорского палеовулканического пояса (Южный Урал): строение залежей, состав, генезис. Литосфера, 2, 77-99.

5. Геохимия диагенеза осадков Тихого океана (трансокеанский профиль). (1980) (Ред. Э.А. Остроумов). М.: Наука, 288 с.

6. Гричук Д.В. (2000) Термодинамические модели субмаринных гидротермальных систем. М.: Науч. мир, 303 с.

7. Дмитриев Л.В., Базылев Б.А., Борисов М.В. и др. (2000) Образование водорода и метана при серпентиниз ции мантийных гипербазитов океана и происхождение нефти. Росс. журн. наук о Земле, 1(1), 1-13.

8. Дриц В.А., Коссовская А.Г. (1989) Смектиты как индикаторы геологических обстановок на континентах и океанах. Генезис осадков и фундаментальные проблемы литологии. М.: Наука, 7-37.

9. Дубинин А.В. (2006) Геохимия редкоземельных элементов в океане. М.: Наука, 360 с.

10. Злотник-Хоткевич А.Г. (1989) Железистые и кремнисто-железистые осадки колчеданных месторождений. Кремнисто-железистые отложения колчеданоносных районов. Свердловск: УрО АН СССР, 45-52.

11. Злотник-Хоткевич А.Г., Петрова М.А. (1979) Процессы синвулканического преобразования базальтов в Северных Муrоджарах и связь с ними колчеданноrо оруденения. Геол. руд. месторождений, 1, 72-86.

12. Калугин А.С. (1970) Атлас текстур и структур вулканогенно-осадочных железных руд Алтая (источники вещества, условия и механизмы отложения, явления диагенеза, эпигенеза и метаморфизма руд). Л.: Недра, 176 с.

13. Карпов И.К., Чудненко К.В., Бычинский В.А., Кулик Д.А., Павлов А.Л., Третьяков Г.А., Кашик С.А. (1995) Минимизация свободной энергии при расчете гетерогенных равновесий. Геология и геофизика, 36(4), 3-21.

14. Кассандров Э.Г. (2010) Краснополосчатые джеспилиты Алтая и их значение для расшифровки генезиса докембрийских железистых карцитов и скарново-магнетитовых месторождений. Новосибирск: СНИИГГиМС, 165 с.

15. Клёнова М.В. (1948) Геология моря. М.: Учпедгиз, 495 с. Коссовская А.Г., Петрова В.В., Шутов В.Д. (1982) Минеральные ассоциации палагонитизации океанических базальтов и проблемы экстракции рудных компонентов. Литол. и полезн. ископаемые, 4, 10-31.

16. Курносов В.Б. (1986) Гидротермальные изменения базальтов в Тихом океане и металлоносные отложения (по материалам глубоководного бурения). М.: Наука, 250 с.

17. Леин А.Ю., Иванов М.В. (2009) Биогеохимический цикл метана в океане. М.: Наука, 576 с.

18. Либрович Л.С. (1936) Геологическое строение Кизило-Уртазымского района на Южном Урале. Тр. ЦНИГРИ, вып. 81. М.: ОНТИ НКТП СССР, 208 с.

19. Масленников В.В. (1991) Литологический контроль медноколчеданных руд (на примере Сибайского и Октябрьского месторождений Урала). Свердловск: УрО РАН СССР, 139 с.

20. Масленников В.В. (2021) О возможной роли сипового биогальмиролиза в формировании субмаринных месторождений. Металлогения древних и современных океанов – 2021. Сингенез, эпигенез, гипергенез. Миасс: ЮУ ФНЦ МиГ УрО РАН, 5-9.

21. Масленников В.В., Третьяков Г.А., Мелекесцева И.Ю. (2009) Физико-химическое моделирование минералообразования при субмаринном гипергенезе сульфидно-серпентинитовых обломочных отложений. Металлогения древних и современных океанов – 2009. Миасс: ИМин УрО РАН, 50-54.

22. Огородников О.Н., Гладковский А.К. (1975) Геосинклинальные месторождения бокситов на Урале и их связь с вулканизмом. М.: Наука, 96 с.

23. Пуркин А.В., Денисова Т.А. (1987) Геологические критерии прогнозирования и поисков на Урале скрытых стратиформных медноколчеданных месторождений, сформированных по продуктам субмаринного выветривания базальтов. Свердловск: Уралгеология, 190 с.

24. Рудницкий В.Ф., Алешин К.Б., Кузнецов А.Ж., Иванченко В.С. (2013) Строение магнетитовых залежей Естюнинского железорудного месторождения на Среднем Урале. Геол. руд. месторождений, 55(6), 546-562.

25. Старикова Е.В. (2010) Термодинамическая модель гидротермально-осадочного марганцевого рудообразования. Литосфера, (3), 163-170.

26. Страхов Н.М. (1960) Основы теории литогенеза. Т. 1. М.: АН СССР, 212 с.

27. Токсичные элементы в колчеданообразующих системах. (2014) (В.В. Масленников, Н.Р. Аюпова, С.П. Масленникова, Г.А. Третьяков, И.Ю. Мелекесцева, Н.П. Сафина, Е.В. Белогуб, Р.Р. Ларж, Л.В. Данюшевский, А.С. Целуйко, А.Г. Гладков, Ю.Д. Крайнев). Екатеринбург: РИО УрО РАН, 340 с.

28. Третьяков Г.А. (2015) Минеральные ассоциации и поведение рудообразующих элементов при взаимодействии пород с морской водой в гидротермальных условиях. Литосфера, (6), 142-147.

29. Фролов В.Т. (1992) Литология. Кн. 1: Учебное пособие. M.: Изд-во МГУ, 336 с.

30. Харин Г.С. (1981) Вторичные минералы в подводных базальтах Северной Атлантики. Минеральные преобразования пород океанического субстрата. М.: Наука, 22-29.

31. Хворова И.В., Вишневская В.С. (1987) Кремнистые породы складчатых поясов фанерозоя. Происхождение и практическое использование кремнистых пород. М.: Наука, 59-78.

32. Чудненко К.В. (2010) Термодинамическое моделирование в геохимии: теория, алгоритмы, программное обеспечение, приложения. Новосибирск: Гео, 287 с.

33. Япаскурт О.В. (2008) Генетическая минералогия и стадиальный анализ процессов осадочного породо- и рудообразования. Учеб. пособие. М.: ЭСЛАН, 356 с.

34. Ятимов У.А., Масленников В.В., Аюпова Н.Р., Артемьев Д.А. (2022) Элементы-примеси в магнетите как индикаторы условий образования железных руд месторождения Акташ, Западный Карамазар, Таджикистан. Изв. Томск. политехн. ун-та. Геоинжиниринг, 12, 151-167.

35. Aiuppa A., Hall-Spencer J.M., Milazzo M., Turco G., Caliro S., Di Napoli R. (2021) Volcanic CO2 seep geochemistry and use in understanding ocean acidification. Biogeochemistry, 152, 93-115. https://doi.org/10.1007/s10533-020-00737-9(0123456789

36. Atapour H., Aftabi A. (2017) The possible synglaciogenic Ediacaran hematitic banded iron salt formation (BISF) at Hormuz Island, southern Iran: Implications for a new style of exhalative hydrothermal iron-salt system. Ore Geol. Rev., 89, 70-95.

37. Ayupova N.R., Novoselov K.A., Maslennikov V.V., Me lekestseva I.Yu., Hollis S.P., Artemyev D.A., Tessalina S.G. (2020) The formation of magnetite ores of the Glubochenskoe deposit, Turgai iron belt, Russia: new structural, mineralogical, geochemical, and isotopic constraints. Mineral. Depos., 56, 103-123. https://doi.org/10.1007/s00126-020-00994-6

38. Bach W., Klein F. (2009) The petrology of seafloor rodingites: Insights from geochemical reaction path modeling. Lithos, 112, 103-117.

39. Benzerara K., Menguy N., Banerjee N.R., Tyliszczak T., Brown Jr. G.E., Guyot F. (2007) Alteration of submarine basaltic glass from the Ontong Java Plateau: A STXM and TEM study. Earth Planet. Sci. Lett., 260, 187-200.

40. Bethke C.M. (2008) Geochemical and Biogeochenical reaction modeling. Cambridge University Press, N. Y. 2nd ed. 543 p.

41. Bonatti E. (1967) Mechanisms of deep-sea volcanism in the South Pacific. Res. Geochem., 2, 453-491.

42. Bonatti E. (1965) Palagonite, Hyaloclastites and Alteration of Volcanic Glass in the Ocean. Bull. Volcanol., 28, 257-269.

43. Di Bella M., Pirajno F., Sabatino G., Quartieri S., Bar bieri R., Cavalazzi B., Ferretti A., Danovaro R., Romeo T., Andaloro F. et al. (2021) Rolling Ironstones from Earth and Mars: Terrestrial Hydrothermal Ooidsas a Potential Analogue of Martian Spherules. Minerals, 11, 460. https://doi.org/10.3390/min11050460

44. Di Bella M., Sabatino G., Quartieri S., Ferretti A., Cavalazzi B., Barbieri R., Foucher F., Messori F., Italiano F. (2019) Modern iron ooids of hydrothermal origin as a proxy for ancient deposits. Sci. Rep., 9, 7107. https://doi.org/10.1038/s41598-019-43181-y

45. Fairbridge R.W. (1983) Syndiagenesis–anadiagenesis– epidiagenesis: phases of lithogenesis. Diagenesis in Sediments and Sedimentary Rocks. (Eds G. Larsen, G.V. Chilingar). Elsevier Amsterdam, Netherlands, V. 2, 17-113. DOI: 10.1016/S0070-4571(08)71044-6

46. Flick H., Nesbor H.D. (1990) Iron ore of the Lahn-Dill type formed by diagenetic seeping of pyroclastic sequences – a case study on the Schalstein section at Gänsberg (Weilburg). Geologishe Rundshau, 401-415.

47. Grichuk D.V. (2012) Thermodynamic model of oreformingprocesses in a submarine Island-arc hydrothermal system. Geochem. Int., 50(13), 1069-1100.

48. Guo D., Li Y., Duan C., Fan C. (2022) Involvement of evaporite layers in the formation of iron oxide-apatite ore de posits: Examples from the Luohe deposit in China and the El Laco deposit in Chile. Minerals, 12, 1043.

49. Helgeson H.C. (1968) Evaluation of irreversible reactions in geochemical processes involving minerals and aqueous solutions–I. Thermodynamic relations. Geochim. Cosmochim. Acta, 39, 853-877.

50. Hümmel K. (1922) Die Entstehung eisenreicher Gesteine durch Halmyrolyse (=submarine Gesteinszersetzung). Geologische Rundschau, 13(2), 97-136.

51. Jercinovic M.J., Keil K., Smith M.R., Schmitt R.A. (1990) Alteration of basaltic glasses from north-central British Columbia, Canada. Geochim. Cosmochim. Acta, 54, 2679-2696.

52. Judd A.M. (2009) Seabed fluid flow: the impact on geology, biology and the marine environment. Cambridge University Press, 475 p.

53. Kalugin A.S. (1973) Geology and genesis of the Devonian banded iron-formation in Altai, western Siberia and eastern Kazakhstan. Genesis of Precambrian iron and manganese deposits. Proceedings of the Kiev Symposium, 20-25 August 1970, France: Unesco, 158-165.

54. Kampman N., Bickle M., Wigley M., Dubacq B. (2014) Fluid flow and CO2 -fluid-mineral interactions during CO2 storage in sedimentary basins. Chem. Geol., 369, 22-50. doi: 10.1016/j.chemgeo.2013.11.012

55. Karpov I.K., Chudnenko K.V., Kulik D.A. (1997) Modeling chemical mass transfer in geochemical processes: Thermodynamic relations, conditions of equilibrium, and numerical algorithms. Amer. J. Sci., 297, 767-806.

56. Larsen G., Chilingarian G.V. (1979) Introduction – Diagenesis of sediments and rocks Diagenesis in sediments and sedimentary rocks. (Eds G. Larsen, G.V. Chilingar). El sevier: Amsterdam–Oxford–N. Y., 1-29. https://doi.org/10.1016/S0070-4571(08)71070-7

57. Marine Chemistry and Geochemistry: A Derivative of E cyclopedia of Ocean Sciences. (2010) (Eds J.H. Steele, S.A. Thorpe, K.K. Turekian). 2nd ed. L., Elsiever, 631 p.

58. Maslennikov V.V., Ayupova N.R., Herrington R.J., Danyushevskiy L.V., Large R.R. (2012) Ferruginous and manganiferous haloes around massive sulphide deposits of the Urals. Ore Geol. Rev., 47, 5-41. https://doi.org/10.1016/j.oregeorev.2012.03.008

59. Maslennikov V.V., Ayupova N.R., Safina N.P., Tseluyko A.S., Melekestseva I.Yu., Large R.R., Herrington R.J., Kotlyarov V.A., Blinov I.A., Maslennikova, S.P., Tessali na S.G. (2019) Mineralogical features of ore diagenites in the Urals massive sulfide deposits, Russia. Minerals, 9, 150. doi:10.3390/min9030150

60. McCollom T.M., Shock E.L. (1998) Fluid-rock interactions in the lower oceanic crust: Thermodynamic models of hydrothermal alteration. J. Geophys. Res., 103(B1), 547-575.

61. Melekestseva I.Yu., Maslennikov V.V., Tret’yakov G.A., Ni mis P., Beltenev V.E., Rozhdestvenskaya I.I., Maslennikova S.P., Belogub E.V., Danyushevsky L., Large R., Yuminov A.M., Sadykov S.A. (2017) Gold-and Silver Rich Massive Sulfides from the Semenov-2 Hydrothermal Field, 13° 31.13’N, Mid-Atlantic Ridge: a Case of Magmatic Contribution? Econ. Geol., 112, 741-773.

62. Melekestseva I.Yu., Tret’yakov G.A., Nimis P., Yuminov A.M., Maslennikov V.V., Maslennikova S.P., Kotlyarov V.A., Beltenev V.E., Danyushevsky L.V., Large R. (2014) Barite-rich massive sulfides from the Semenov-1 hydrothermal field (Mid-Atlantic Ridge, 13°30.87′ N): Evidence for phase separation and magmatic input. Marine Geology, 349, 37-54.

63. Miao X., Xiuli Feng X., Liu X., Li J., Wei J. (2021) Ef fects of methane seepage activity on the morphology and geochemistry of authigenic pyrite. Marine Petrol. Geol., 133, 105231. https://doi.org/10.1016/j.marpet-geo.2021.105231

64. Novoselov K., Belogub E., Shilovkich V., Artemyev D., Blinov I., Filippova K. (2023) Origin of ironstones of the Udokan Cu deposits (Siberia, Russia): A key study using SEM and LA-ICP-MS. J. Geochem. Explor., 249, 107221. https://doi.org/10.1016/j.gexplo.2023.107221

65. Palandri J.L., Reed M.H. (2004) Geochemical models of metasomatism in ultramafic systems: Serpentinization, rodingitization, and sea floor carbonate chimney precipitation. Geochim. Cosmochim. Acta, 68(5), 1115-1133.

66. Pierre S., Gysi A.P., Monecke T. (2018) Fluid chemistry of mid-ocean ridge hydrothermal vents: A comparison between numerical modeling and vent geochemical data. Geofluids, 1389379.

67. Silantyev S.A., Novoselov A.A., Mironenko M.V. (2011) Hydrothermal systems in peridotites at slow-spreading ridges. Modeling phase transformations and material balance: role of gabbroids. Petrology, 19(3), 217-236.

68. Singer A., Müller G. (1983) Diagenesis in Argillaceous Sediments. Diagenesis in Sediments and Sedimentary Rocks. (Eds G. Larsen, G.V. Chilingar). Elsevier, Amsterdam, Netherlands, V. 2, 115-211. DOI: 10.1016/S0070-4571(08)71045-8

69. Stranghoener M., Dultz S., Behrens H., Schippers A. (2020) Far from equilibrium basaltic glass alteration: The influence of Fe redox state and thermal history on element mobilization. Geochim. Cosmochim. Acta, 273, 85-98.

70. Tivey M.K. (1995) Modeling chimney growth and associated fluid flow at seafloor hydrothermal vent sites. Seafloor Hydrothermal Systems: Physical, Chemical, Biological, and Geological Interactions. Geophys. Monogr., 91, 158-177.

71. Tivey M.K., McDuff R.E. (1990) Mineral precipitation in the walls of black smoker chimneys: A quantitative model of transport and chemical reaction. J. Geophys. Res., 95(B8), 12617-12637.

72. Toffolo L., Nimis P., Tret’yakov G.A., Melekestseva I.Y., Beltenev V.E. (2020) Seafloor massive sulfides from mid ocean ridges: Exploring the causes of their geochemical variability with multivariate analysis. Earth-Sci. Rev., 201(B1), 102958, DOI: 10.1016/j.earscirev.2019.102958