Доклады Российской академии наук. Науки о Земле, 2020, T. 492, № 1, стр. 61-65
ГЛУБИННЫЙ ЦИКЛ УГЛЕВОДОРОДОВ – ОТ СУБДУКЦИИ К МАНТИЙНОМУ АПВЕЛЛИНГУ
В. Г. Кучеров 1, *, академик РАН А. Н. Дмитриевский 1, 2, К. С. Иванов 3, А. Ю. Серовайский 1
1 Российский государственный университет нефти
и газа (национальный исследовательский университет) им. И.М. Губкина
Москва, Россия
2 Институт проблем нефти и газа Российской академии наук
Москва, Россия
3 Институт геологии и геохимии Уральского отделения Российской академии наук им. А.Н. Заварицкого
Екатеринбург, Россия
* E-mail: vladimir@flotten.se
Поступила в редакцию 19.08.2019
После доработки 28.02.2020
Принята к публикации 28.02.2020
Аннотация
Представлены экспериментальные результаты и геологические наблюдения, позволяющие предположить наличие глубинного цикла углеводородов. Углеводороды, аккумулированные в земной коре в составе слэба, при погружении сохраняют свою стабильность по крайней мере до глубины 50 км. При дальнейшем погружении углеводороды начинают контактировать с железосодержащими минералами и на глубинах 100–290 км образуют гидриды и карбиды железа. Карбиды железа, переносимые в астеносфере конвективными потоками, могут выступать как доноры углерода, которые, реагируя с донорами водорода, имеющимися в астеносфере, образуют водно-углеводородный флюид. В дальнейшем флюид может мигрировать по глубинным разломам в земную кору и образовывать залежи углеводородов.
До недавнего времени основное внимание при рассмотрении глобального цикла углерода уделялось процессам, происходящим в океанах, атмосфере и в поверхностном осадочном слое земной коры. Знания о глубинном цикле углерода весьма фрагментарны, несмотря на то, что глубинные слои Земли могут содержать до 90% всего планетарного углерода. Предполагается, что восходящий поток углерода формируется в основном из СО2 и СН4 при извержении вулканов, а нисходящий поток реализуется в зонах субдукции. Процессы субдукции играют ключевую роль в эволюции континентальной коры и верхней мантии, при этом важна роль углеводородов [1]. Углеводороды могут погружаться вместе со слэбом, подвергаясь воздействию экстремально высоких температур и давлений. Трансформация углеводородных систем может оказывать значительное влияние на процессы, происходящие в глубинных слоях Земли. Если абиогенному образованию сложных углеводородных систем в условиях верхней и нижней мантии посвящен целый ряд работ [2–5], то поведение углеводородов при субдукции практически не изучено.
Для изучения трансформации углеводородных систем при их погружении по слэбу были проведены три серии экспериментов. В первой серии мы использовали модельную углеводородную систему, сходную по своему составу с газовым конденсатом. Эксперименты проводились на алмазных наковальнях с лазерным нагревом при следующих термобарических параметрах: 0.7 ГПа и 320°С (глубина 20–30 км); 1.2 ГПа и 420°С (глубина 30–40 км); 1.4 ГПа и 450°С (глубина 40–50 км). Анализ продуктов проводился с использованием рамановской спектроскопии. Установлено, что рамановские спектры до и после экспериментов не менялись. Увеличение времени выдержки также не повлияло на состав системы. То есть до глубины 50 км углеводородная система сохраняла свой первоначальный состав. Подробности методики проведения экспериментов и анализ полученных результатов приведены в [6].
Во второй серии экспериментов исследовалось поведение системы, состоящей из смеси предельных углеводородов и пироксенового стекла (Mg0.91Fe0.09)(Si0.91Al0.09)O3, обогащенного железом 57Fe, при погружении в составе слэба на глубину до 290 км. Эксперименты также проводились на алмазных наковальнях с лазерным нагревом. Рамановская и мёссбауэровская спектроскопия использовались для анализа продуктов. При моделировании погружения исследуемой системы до 200 км были обнаружены графит и углеводороды. На глубинах 100–200 км наблюдалось образование гидридов железа, а на глубинах 210–290 км в системе формировались карбиды железа [7].
В данной работе мы представляем результаты третьей серии экспериментов, цель которых заключалась в исследовании реакции карбида железа с водой при термобарических условиях, сходных с условиями на глубинах около 150 км (940°С и 6 ГПа). Эксперименты проводились на прессе высокого давления в камерах типа “Тороид”, методика проведения экспериментов описана в [8]. Результаты экспериментов показали, что происходит образование сложных углеводородных систем, состоящих из легких парафиновых и нафтеновых углеводородов (рис. 1), протекающее по следующей схеме:
Представленные экспериментальные данные демонстрируют стабильность углеводородов в слэбе до глубины 50 км. Мы сопоставили результаты экспериментов с геологическими наблюдениями в хорошо изученной древней островодужной системе – Урале. На Урале есть палеозона субдукции, в ее конечном выражении – Главный Уральский глубинный разлом (ГУГР) [9]. Он протягивается в субмеридиональном направлении более, чем на 2000 км и делит Уральский складчатый пояс на два сектора – западный (палеоконтинентальный) и восточный (палеоостроводужный). Здесь океаническая кора раннепалеозойского Уральского палеоокеана погружается на восток под Ирендыкскую островную дугу. Структурные и палеомагнитные данные свидетельствуют, что субдукция (и последующая коллизия) на Урале были не фронтальными, а происходили по косой, и сопровождались значительными движениями уральских блоков к северу в позднем палеозое.
Поскольку нами экспериментально изучалось поведение углеводородов в субдуцируемой океанической коре, то соответственно наиболее интересны данные по углеводородам в ультрабазитах. На Урале присутствуют два главных типа ультрабазитов: 1) альпинотипные (офиолитовые), наиболее крупные массивы которых располагаются в зоне ГУГР, протягиваясь более чем на 2 тыс. км, и 2) платиноносные зональные дунит-клинопироксенит-габбровые массивы, располагающиеся в надсубдукционной обстановке [10], сразу восточнее ГУГРа на Среднем и Северном Урале.
В ультрабазитах Урала установлены различные формы углерода, в том числе битумная (от следов до 100 г/т) и газовая – СО2, СН4 [10].
Находки алмазов фиксируются на Урале в ультрабазитах обоих типов. Наиболее детально изучены и описаны многочисленные мелкие алмазы из офиолитового массива Рай-Из Полярного Урала [11]. Мы полагаем, что наличие алмазов в ультрабазитах свидетельствует об их преобразованиях при высоких давлениях на значительных глубинах в зоне субдукции. На это же указывает и протягивающийся почти на 2 тыс. км в западной части MUF (Главного Уральского разлома) прерывистый пояс HP-LT (высоких давлений – низких температур) эклогит-глаукофансланцевых метаморфитов субдукционного генезиса. Изучение эклогитов и глаукофансланцевых пород из вышеупомянутого складчатого пояса показывает, что их образование происходило под давлением около 15 кбар, соответствующим глубине 50 км [12].
В серпентинизированных дунитах разных офиолитовых аллохтонов содержание битума составляет от 1 до 63 г/т. В этих породах обнаружены полициклические ароматические углеводороды, количество которых изменяется от 5 до 103 г/т. Среди них идентифицированы С14Н10, С20Н12, С22Н12 и С24Н12 [10].
В ультрамафитах наиболее крупного альпинотипного массива – Войкаро-Сыньинского (Полярный Урал) определено содержание тяжелых алканов: в гарцбургите – 1.3 г/т (δ13С = –23.4‰), верлите – 1.6 г/т (δ13С = –26.5‰), вебстерите – 1 г/т, пироксените – 2.3 г/т (δ13С = –26.7‰). По составу алканы в пироксените изменяются от С18Н38 до С33Н68 (с максимумом на С22). В них также присутствуют пристан (С19Н40) и фитан (С20Н42) [13].
Таким образом, геологические данные о наличии углеводородов в ультрабазитах, выжатых из слэба, говорят о том, что сложные углеводородные системы могут существовать в слэбе на значительных глубинах. Это подтверждает наши экспериментальные результаты, свидетельствующие о стабильности углеводородов до глубины 50 км.
Другой тип геологических наблюдений связан с изучением первичных флюидных включений в алмазах и гранатах, мантийное происхождение которых не вызывает сомнений. Состав первичных флюидных включений был изучен методом масс-спектрометрии в 7 природных арканзасских алмазах. Результаты исследования подтвердили наличие различных видов углеводородов во всех образцах [14]. Рамановская и инфракрасная (ИК) спектроскопия была использована для изучения состава первичных флюидов в гранате из Удачной кимберлитовой трубки (Якутия, Россия). Первичные флюиды, извлеченные из гранатов, содержат насыщенные углеводороды от CH4 до C6H14 [15].
Полученные данные о флюидных включениях в природных алмазах и гранатах вместе с результатами наших экспериментов убедительно свидетельствуют о том, что углеводородные системы, сходные по составу с основными компонентами природной нефти, могут образовываться в мантии Земли.
Полученные результаты позволяют предполагать наличие глубинного углеводородного цикла, который можно описать следующим образом. Углеводороды, аккумулированные в земной коре, могут в составе слэба погружаться на большие глубины в процессе субдукции. Углеводородные системы в составе ловушек сохраняют свою стабильность, по крайней мере, до глубины 50 км. При дальнейшем погружении целостность ловушки нарушается и углеводороды начинают контактировать с окружающими породами – железосодержащимися минералами. При дальнейшем опускании часть углеводородов распадается до графита, а часть остается или трансформируется в другие углеводороды, включая метан. При этом на каждой глубине выгодно существование определенной равновесной углеводородной системы. Метан и другие легкие углеводороды могут мигрировать вверх по границе слэб–континентальная плита. При дальнейшем погружении углеводородов и графита на глубине 100–200 км образуются гидриды железа, а еще ниже (210–290 км) карбиды железа.
Карбиды железа, переносимые в астеносфере конвективными потоками, могут выступать как доноры углерода. Реагируя с водородом, содержащимся в гидроксильной группе некоторых минералов, или с водой, имеющейся в астеносфере, карбиды при соответствующих термобарических условиях образуют водно-углеводородный флюид. В дальнейшем флюид может мигрировать по глубинным разломам в земную кору и образовывать залежи углеводородов. Цикл завершается (рис. 2).
Полученные экспериментальные результаты и геологические данные позволяют говорить о стабильности сложных углеводородных систем при сверхвысоких термобарических параметрах и возможности существования скоплений углеводородов на значительных глубинах, а также о наличии глубинного углеводородного цикла, состоящего из двух ветвей – субдукции и мантийного апвеллинга.
Список литературы
Sverjensky D.A., Stagno V., Huang F. // Nature Geoscience. 2014. V. 7. P. 909–913. https://doi.org/10.1038/NGEO2291
Kenney J.F., Kutcherov V.G., Bendeliani N.A., et al. // Proc. Nat. Acad. Sci. (U.S.A.). 2002. V. 99. P. 10976–10981.
Кучеров В.Г., Колесников А.Ю., Дюжева Т.И. и др. // ДАН. 2010. Т. 433. № 3. С. 361–364.
Belonoshko A.B., Lukinov T., Rosengren A., et al. // Scientific Reports. 2015. V. 5. P. 18382.
Kolesnikov A.Y., Saul J.M., Kutchero V.G. // Chemistry Select. 2017. V. 2. № 4. P. 1336–1352.
Серовайский А.Ю. // В сб. “Бакировские чтения”. Москва: Нефть и газ, 2018. С. 147–155.
Серовайский А.Ю., Колесников А.Ю., Кучеров В.Г. // Geochem. Internat. 2019. V. 57. № 9. P. 1008–1014.
Mukhina E., Kolesnikov A., Kutcherov V. // Scientific Reports. 2017. V. 7. P. 5749.
Иванов К.С. // Основные черты геологической истории (1.6–0.2 млрд. лет) и строения Урала, Екатеринбург: УрО РАН, 1998. 252 с.
Штейнберг Д.С., Лагутина М.В. // Углерод в ультрабазитах и базитах, М.: Наука, 1984. 110 с.
Yang J., Robinson P.T., Dilek Y. // Episodes. 2015. V. 38. № 4. P. 344–364.
Lennykh V.I., Valizer P.M., Beane R., et al. // Intern. Geol Rev. 1995. V. 37. № 7. P. 584–600.
Sugisaki R., Mimura K. // Geochim. Cosmochim. Acta. 1994. V. 58. № 11. P. 2527–2542.
Melton C.E., Giardini A.A. // Geochim. Cosmochim. Acta. 1975. V. 60. № 56. P. 413–417.
Томиленко А.А., Коновязин С.В., Похиленко Л.Н и др. // ДАН. 2009. Т. 426. № 4. С. 533–536.
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Доклады Российской академии наук. Науки о Земле