В статье представлен обзор процессов дегазации и их следов по результатам многолетних наблюдений и аналитических исследований автора во время работы на научно-исследовательском судне «Профессор Логачёв». Полярная морская геологоразведочная экспедиция на данном судне проводит исследования, включающие и видеонаблюдения в осевой зоне Срединно-Атлантического хребта (САХ). С 2012 года работы проводятся в пределах Российского разведочного района (РРР), расположенного на Срединном хребте в координатах от 20° до 13° с. ш. За это время было отснято несколько тысяч погонных километров видео дна. Автор данного обзора принимала участие в восемнадцати таких рейсах, поэтому имела возможность непосредственно наблюдать разнообразные признаки процессов дегазации на океанском дне. Они проявлены в виде небольших (редко превышающих первые метры в диаметре) каналов в осадках и необычных узоров на осадках, а также в виде трещин, разломов и каналов в подстилающих породах. Кроме того, все гидротермальные постройки, включая трубы активных и неактивных курильщиков, также являются результатом процессов дегазации. В пределах молодых вулканических структур как кальдерного, так и щелевого типа были подняты спёкшиеся осадки, насыщенные пеплом и свежим вулканическим стеклом, размер которого редко превышает 1 см. Подобные породы отнесены к туффитам, и их образование также связано с процессами дегазации.
Срединно-Атлантический хребет, дегазация, курильщики, каналы, ячейки Бенара
Введение
Процессы дегазации оставляют видимые следы на поверхности Земли и доступны наблюдениям. Наиболее яркими их проявлениями являются: извержения вулканов, грязевой вулканизм, провалы грунта, многочисленные воронки от выбросов газов, застывшие пузыри во льду Байкала, образования выбеленных кругов (в результате уничтожения гумуса) с последующим заболачиванием и образованием круглых озёр на Русской равнине, карстовые полости в известняках (есть даже места, где огонь полыхает веками в результате дегазации) и другие признаки. Исследования по дегазации Земли стали приобретать системный характер в геологии с середины ХХ века. Понятие «газовое дыхание Земли» впервые было введёно в научный лексикон ещё в 1912 г. академиком В. И. Вернадским (Вернадский, 1960).
Одним из первых, кто начал говорить о дегазации, называя её «дыханием Земли», ещё в XVII веке был немецкий учёный А. Кирхер (Иогансон, 2016; Кирхер, интернет-ресурс). Явления дегазации можно наблюдать на поверхности Земли. А вот развитие этих процессов на дне океанов остаются скрытыми от наблюдений.
Отечественные исследования в осевой зоне САХ начались с 1985 года, при этом ведущая роль в этих работах принадлежит геологическим организациям Министерства геологии СССР, в первую очередь ФГУНПП «ПМГРЭ» и ФГУП «ВНИИОкеанология». В ходе многочисленных рейсов отрабатывалась методика региональных и поисковых исследований, включающая геолого-геофизические, гидрофизические работы, видеонаблюдение и геологическое опробование.
Работы характеризуются стадийностью и проводились в несколько этапов: региональные рекогносцировочные масштаба 1:1 000 000 — 1:500 000, региональные детализационные масштаба 1:200 000 — 1:100 000, поисковые масштаба 1:50 000 — 1:10 000.
19 июля 2011 года на 17-й сессии Международного органа по морскому дну (МОМД) была принята Заявка Российской Федерации на поиски и разработку полиметаллических сульфидов в международном районе Мирового океана — приэкваториальной части Срединно-Атлантического хребта (САХ). 29.10.2012 года был заключён Контракт на разведку полиметаллических сульфидов между МОМД и Министерством природных ресурсов и экологии Российской Федерации.
Заявочный район, названный Российским разведочным районом (РРР), расположен в центральной части Атлантического океана в осевой зоне Срединно-Атлантического хребта в интервале широт 12°48´36´´—20°54´36´´с. ш. и включает 100 блоков размером приблизительно 10 х 10 км площадью не больше 100 кв. км. Заявочные блоки скомпонованы в 7 участков, в состав которых входит от 9 до 36 блоков. Участки расположены в пределах прямоугольного района площадью 216 622 км2 (рис.1, 2).
Материалы, объекты и методы исследования
Основой изучения процессов дегазации на дне Атлантического океана явились видеонаблюдения с использованием фототелевизионного аппарата TVS Sperre производства компании SPERRE (Норвегия). Плановая привязка фототелевизионного аппарата при проведении съёмки осуществлялась с помощью гидроакустической системы подводной навигации HiPAP 101 производства компании Kongsberg Simrad (Норвегия). Наблюдения проводились автором во время рейсов НИС «Профессор Логачёв» и ОИС «Янтарь» в Атлантическом океане на глубинах 2—6 км с 2003 по 2024 г., в том числе с 2012 г. в Российском разведочном районе. Этот район находится на значительном удалении от берегов, куда не доходит снос осадков с континентов.
Помимо видеонаблюдений дна были использованы данные гидрофизического зондирования с измерением гидрофизических и гидрохимических параметров: температуры, электропроводности, плотности (солености), мутности и содержания растворенного метана, которые проводились гидрофизическим зондом SBE 911 plus.
По опубликованным данным, на гидротермальных полях САХ, таких как Логачёв, Рейнбоу, ТАГ, Лост Сити, замеры состава газов во флюидах, из которых отлагаются чёрные и белые курильщики, показали содержание в них метана, сероводорода, водорода, углекислого и угарного газа (Акимцев и др., 1991; Арсанова, 2012, 2020; Богданов и др., 2006; Лавров, 1979; Леин и др., 2000; Леин, Сагалевич, 2000; Лисицын и др., 1990). Но в ПМГРЭ имеется датчик только для измерения метана.
Батиметрическая съёмка рельефа дна с разрешением в 1 м проводилась придонным многолучевым эхолотом с целью получения данных о микрорельефе участка работ и выявления отдельных сульфидных построек.
Вещество со дна поднималось с помощью скальной драги (для подъёма донно-каменного материала), коробчатого пробоотборника (для подъёма осадков) и телевизионного грейфера (для подъёма гидротермальных образований).
Результаты и обсуждение
В пределах РРР сотрудниками Полярной морской геологоразведочной экспедиции выявлено 14 рудных полей глубоководных полиметаллических сульфидов, напрямую связанных с процессами глубинной дегазации, т. к. сульфиды отлагаются из глубинных флюидов. Положение рудных полей показано на рисунке 2. На поисковой стадии на рудных полях были выявлены от одного до нескольких рудных тел, выходящих на поверхность дна. Но и вне рудных тел на дне океана в осадках и подстилающих их породах хорошо развиты признаки дегазации. Наиболее характерными из них являются каналы и трещины, спекание и литификация осадков, образование необычных узоров на осадках, «бугры пучения», ячейки Бенара[1].
Осадки в рифтовой зоне САХ рыхлые и обводнённые, они аналогичны слою вязкой жидкости. В процессе дегазации происходит подогрев слоя осадков и формирование в них правильных геометрических структур — ячеек Бенара.
Ярким проявлением дегазации служат «чёрные курильщики» — сульфидные трубы, из которых в воду выходят флюиды в виде чёрных дымов. Дымы разнообразных по минеральному составу курильщиков могут быть и прозрачные, и белые, и даже цветные (зелёные и оранжевые). Курильщики — это незначительная часть проявления сфокусированных источников дегазации на дне океанов. Чаще последствия дегазации на САХ проявляется в виде каналов и трещин как в рыхлых биогенных карбонатных осадках, так и в подстилающих породах, не перекрытых осадками (рис. 3).
Каналы неоднородны по размерам, они могут быть от первых сантиметров до первых метров в диаметре. В осадках стенки каналов могут быть литифицированы и приподняты на несколько сантиметров над дном, а также вокруг канала может образоваться структура растворения, своим отрицательным рельефом напоминающая «блюдце». В условиях качки, когда видеоаппаратура отстаёт от поверхности дна от 1 до 5 м, оценить точный размер диаметра каналов при видеонаблюдении дна не представляется возможным. Поэтому все размеры даны в приблизительном масштабе. На рисунке 3, с показан канал в осадках, в 30 м от которого в придонном слое воды гидрофизическим зондом была зафиксирована аномалия метана, в 6.5 раза превышающая фоновые показатели. Как уже говорилось, трещины в базальтах, в том числе и перекрытых рыхлыми биогенными карбонатными осадками, также связаны с процессами дегазации. При этом газы, выходившие из трещин, спекали осадки, лежащие на базальтах, и создавали ореолы изменённых осадков вокруг трещин.
Одним из необычных проявлений дегазации на дне являются ячейки Бенара, которые в пределах РРР не были известны ранее, их наблюдали только в Тихом океане. На поверхности рыхлых обводнённых биогенных осадков появляются пятна размером до 10—15 см, состоящие из геометрически правильных ячеек. Причём рядом могут находиться и небольшие отверстия-каналы, и ячейки Бенара (рис. 4).
Использование придонного многолучевого эхолота позволило получать рельеф дна с разрешением в 1 метр. Таким образом, на рудных полях были выявлены холмы диаметром в основании до 150 м, высотой до 40 м. При заверке видеонаблюдениями таких холмов обнаружено, что они сложены раздробленными базальтами с литифицированными осадками на поверхности обломков. На этих литифицированных осадках также наблюдались ячейки Бенара (рис. 4, d). Кроме того, на рудном поле Юбилейное, на вершине одного такого холма зафиксированы активные трубы чёрных курильщиков.
Появление таких холмов на горизонтальных лавовых покровах, не нарушенных тектоникой, отражает довольно мощные каналы (потоки) дегазации, взломавшие лавовый покров и сформировавшие своеобразные купола — по типу «бугров пучения» (рис. 5). Размеры таких куполов варьируют от десятков сантиметров до 150 м в основании. Аналогичные структуры известны и в районе выхода ультраосновных пород на поверхность дна. В таком случае купола сложены обломками ультраосновных пород с литифицированными осадками (рис. 5, a).
Весьма необычным и интересным проявлением дегазации на дне служат узоры, в том числе и цветные, на поверхности осадков. В результате пропитки осадков флюидами изменяется их вещественный состав и структура. Эти узоры формируются на значительных площадях до сотен метров, но бывают и очень локальные, в то время как для обычных фоновых осадков узоры нехарактерны (рис. 6).
Осадки, приобретающие в процессе дегазации не только цвет, но и крупные ячеистые узоры, по всей видимости, являются начальной стадией формирования ячеек Бенара другого, более крупного масштаба. Об этом свидетельствует форма ячеек, схожая с ячейками, образованными при лабораторном эксперименте, когда подогревается машинное масло с порошком алюминия (рис. 7).
При процессах дегазации осадки могут спекаться, происходит их литификация. Поэтому часто вместе с молодыми базальтами, имеющими «горячие» контакты с осадками (Добрецова, Оськина, 2015), на борт НИС «Профессор Логачёв» поднимались литифицированные осадки, на которых в отдельных случаях можно наблюдать ячейки Бенара (рис. 8).
Ещё одним характерным признаком процессов дегазации на дне океана служат скопления специфической фауны, например двустворчатых моллюсков, и/или появление бактериальных матов. В частности, двустворчатые моллюски — калиптогены — поселяются в местах высачиваний холодных метановых сипов среди осадков (рис. 9).
В кальдере вулкана Пюи де Фоль визуально при фототелепрофилировании дна автором был зафиксирован процесс дегазации — истечение белого «дыма» в виде небольшого фонтанчика (предположительно силикагеля). Формирование трубы белого курильщика не наблюдалось, но возле выхода белого «дыма» отмечено скопление двустворчатых моллюсков на базальтах и бактериальные маты белого цвета (рис. 10).
В кальдере вулкана Пюи де Фоль неоднократно поднимались образцы глубоководных сульфидов с ещё не отвердевшим силикагелем. В процессе сушки силикагель превращался в белый порошок. При исследовании под электронным микроскопом такого порошка было выявлено, что он имеет бактериальную структуру и состав, характерный для опала. Сами бактериальные маты белого цвета со дна не поднимались, но можно предположить, что по составу они отвечают силикагелю.
Образование туффитов на глубинах от 2 до 4 км также связано с процессами дегазации. При этом есть классическое развитие туффитов, когда газонасыщенная лава выходит на поверхность дна в результате взрыва и тут же горячие обрывки лавы падают в рыхлые биогенные карбонатные осадки, спекают их и насыщают свежими стёклами (часто сложнозакрученной формы), фрагментами стекловатых базальтов и пепловыми частицами. Но есть и другой способ, который повсеместно наблюдался в кальдере вулкана Пюи де Фоль и реже проявлен на других рудных полях. На базальтовом горизонтально залегающем покрове, покрытом рыхлыми биогенными карбонатными осадками, образуются многочисленные бугорки размером, редко превышающим 1 метр в основании и возвышающиеся на десятки сантиметров над дном. Они образованы спёкшимися осадками в результате пропитки их вулканическими газами, насыщенными пепловыми частицами и частично и/или полностью замещёнными железомарганцевыми минералами. Фактически каждый такой бугорок образовался как бугор пучения в осадках в процессе дегазации при вертикальном подъёме газовых струй (рис. 11). Глубинные газы могут выходить в воду через осадочный слой, не только вертикально, но и горизонтально растекаясь в нём, спекая, литифицируя и насыщая осадки вулканическим пеплом и стёклами. Подобные литифицированные, насыщенные пеплом и стёклами осадки наблюдались в восточном борту рифтовой долины на склоне щелевого вулкана (вулканическая гора 17º09'), в осадочном слое вдоль трещины в подстилающих базальтах (рис. 11, e, f).
Выводы
На дне Атлантического океана в пределах Российского разведочного района выявлены разнообразные признаки процессов дегазации, в том числе видимые активные высачивания, выходящие на поверхность дна. Наиболее яркими признаками дегазации являются трещины и каналы как в подстилающих породах, так и в перекрывающих их осадках. При этом в бортах трещин и на поверхности дна вокруг трещин и каналов образуются ореолы спёкшихся, литифицированных осадков.
Ячейки Бенара впервые выявлены в пределах Российского разведочного района. Они появляются на поверхности осадков в результате прохождения через них тёплых газовых струй, возможно водорода, т. к. метан относится к охлаждающим газам.
Изменение структуры и цвета осадков (по сравнению с фоновыми), а также их литификация связаны с пропиткой осадочной толщи восходящими диффузными потоками газонасыщенных флюидов.
Многочисленные холмы, сложенные раздробленными базальтами с литифицированными осадками на поверхности обломков, и даже частично с ячейками Бенара на таких осадках, расположенные на выровненных подстилающих породах, перекрытых осадками, относятся к структурам дегазации, образованным по типу «бугров пучения».
Формирование небольших бугорков (размером не более 1 м в высоту) спёкшихся осадков, насыщенных пепловыми частицами, частично или полностью ожелезнёнными, на базальтовых лавовых покровах, присыпанных осадками, отнесены нами к одной из форм образования туффитов в процессе дегазации.
Глубинные газы могут не только подниматься к поверхности дна по вертикальным каналам, но и, достигнув поверхности дна, растекаться в слое осадков горизонтально, спекая, литифицируя и насыщая их вулканическим пеплом.
Бактериальные маты и скопление двустворчатых моллюсков напрямую связаны с процессами дегазации и указывают на места их выходов на дне.
В литературе, посвящённой океаническим хребтам, упоминается о газовых струях, зафиксированных в придонной водной толще, и их составе, а рельеф дна, изменения в структуре осадочной толщи, связанные с дегазацией, практически не изучались. Необходимо уделять больше внимания этой проблеме, несомненно имеющей связь с формированием рельефа дна и с изменением климата на Земле.
[1] Ячейки Бенара — возникновение упорядоченности в виде конвективных ячеек в форме цилиндрических валов или правильных шестигранных структур в слое вязкой жидкости с вертикальным градиентом температуры, то есть равномерно подогреваемой снизу.
1. Акимцев В. А., Шарапов В. Н., Колобов В. Ю. и др. Гидротермальная активность зоны сочленения Срединно-Атлантического хребта с трансформным разломом Зеленого Мыса // Геологические исследования в Центральной Атлантике. Новосибирск: ОИГГМ РАН, 1991. С. 37—50.
2. Арсанова Г. И. Вода гидротерм вулканических областей: метеорная или вулканическая? // Пространство и Время: Альманах: Электронное научное издание. 2012. Т. 1. Вып. 1. С. 1—12.
3. Арсанова Г. И. Сверхкритическое состояние воды как причина геологических явлений // Earth Sciences. The scientific heritage, 2020. № 45. С. 7—17.
4. Богданов Ю. А., Гурвич Е. Г., Колобов В. Ю. и др. Гидротермальный рудогенез океанского дна. М.: Наука, 2006. 527 с.
5. Вернадский В. И. Избранные сочинения. М.: Изд-во Академии наук СССР, 1960. Т. 4, кн. 2. 649 с.
6. Добрецова И. Г., Оськина Н. С. О взаимодействии базальтов с карбонатными осадками в районе 13—20° с. ш. Срединно-Атлантического хребта // ДАН. 2015. Т. 461. № 3. С. 307—311.
7. Иогансон Л. И. Возрождение Атанасиуса Кирхера // Пространство и Время: Альманах. Электронное научное издание. 2016. Т. 11. Вып. 1.
8. Кирхер Афанасий. URL: https://ru.ruwiki.ru/wiki/
9. Лавров В. М. Геология Срединно-Атлантического хребта / АН СССР. Ин-т океанологии им. П. П. Ширшова. М.: Наука, 1979. 143 с.
10. Леин А. Ю., Гурвич Е. Г., Богданов Ю. А. и др. Новый тип гидротермальных растворов, обогащенных водородом и метаном, в рифтовой зоне Срединно-Атлантического хребта // ДАН. 2000. Т. 375. № 3. С. 380—383.
11. Леин А. Ю., Сагалевич А. М. Курильщики поля Рейнбоу — район масштабного абиогенного синтеза метана // Природа. 2000. № 8. С. 44—53.
12. Лисицин А. П., Богданов Ю. А., Гурвич Е. Г. Гидротермальные образования рифтовых зон океана. М.: Наука, 1990. 255 с.
13. Предоставление бесплатных, открытых и полных данных и информации о морском дне в Мировом океане. URL: https://www.gebco.net/
14. Ячейки Бенара: обучающее видео. URL: yandex.ru›video/preview/1475414280369686583
