Morphogenetic varieties of iron oxyhydroxides in shimmering smokers-diffusers of the Rainbow hydrothermal field (36°13′ N, 33°54′ W, Mid-Atlantic Ridge): LA-ICP-MS data for the development of halmyrolysis theory

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Research subject. Iron oxyhydroxides covering and replacing the chimneys of shimmering water smokers-diffusers of the Rainbow hydrothermal field (MAR). Aim. To identify features of the concentration and associations of chemical elements in varieties of iron oxyhydroxides to recognize patterns of geochemical differentiation under conditions of halmyrolysis of sulfide chimneys-diffusers. Materials and methods. Samples were collected during a dive to a depth of 2300 m using the manual manipulator of the Mir-2 manned vehicle (travel No. 50, research vessel Akademik Mstislav Keldysh, 2005). Varieties of iron ohyhydroxides were identified using electron microscopes (REMMA-202М with LZ-5 Link system, Tescan Vega 3 sbu with an Oxford Instruments X-act energy-dispersive analyzer, and Jeol Superprobe 733 with an EDA Oxford Instruments INCAx-sight) and a powder X-ray diffractometer (SHIMADZU XRD-6000, CuK-α radiation with monochromator). Further, a mass spectrometry with inductively coupled plasma and laser ablation (LA-ICP-MS) analysis was conducted at the South Urals Federal Scientific Center of Mineralogy and Geoecology, Ural Branch of the Russian Academy of Sciences. Results. Microlayered goethite aggregates containing admixtures of barite, calcite, aragonite, native sulfur, covellite, sphalerite, and an X-ray amophoric oxyhydroxide phase of iron cover the shimmering diffusers. Towards the inner parts of the chimney walls, they are replaced by pseudomorphs of lepidocrocite after pyrite and pyrrhotite, and then by radial and bacteriomorphic crustifications of lepidocrocite. The use of laser ablation inductively coupled plasma mass spectrometry (LA-ICP-MS) showed that goethite varieties have the increased contents of Zn and Co associated with other elements of medium-temperature hydrothermal fluids (Cd, Mn, Ni, Ga, Sn, Pb and Sb) in the absence of significant concentrations of a high-temperature hydrothermal association (Se, Bi, Te). The role of elements of seawater association (Mg, Na, K, Sr, U, V, As, Mo, Ni, P, B, W, Cs, REE) decreases from the surface layered goethite aggregates to crustification varieties of lepidocrocite. Different scenarios of accumulation under conditions of sulfide halmyrolysis and precipitation on local reduction barriers are proposed for elements with different valences (U, V, Mo, As, Cr, Eu). It is assumed that some of the microelements (Sr, V, As, P, REE) found in goethite are products of sorption on iron hydroxides or are part of invisible Fe-Ca hydroxyphosphates. Conclusion. The influence of sulfide halmyrolysis on the differentiation of chemical elements has been revealed.

About the authors

V. V. Maslennikov

Institute of Mineralogy, South ural Federal Scientific Center for Mineralogy and Geoecology, ural Branch of the Russian Academy of Sciences

A. Yu. Lein

P.P. Shirshov Institute of Oceanology, RAS

N. R. Ayupova

Institute of Mineralogy, South ural Federal Scientific Center for Mineralogy and Geoecology, ural Branch of the Russian Academy of Sciences

A. S. Tseluyko

Institute of Mineralogy, South ural Federal Scientific Center for Mineralogy and Geoecology, ural Branch of the Russian Academy of Sciences

D. S. Artemyev

Institute of Mineralogy, South ural Federal Scientific Center for Mineralogy and Geoecology, ural Branch of the Russian Academy of Sciences

V. A. Kotlyarov

Institute of Mineralogy, South ural Federal Scientific Center for Mineralogy and Geoecology, ural Branch of the Russian Academy of Sciences

References

  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.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2024 Maslennikov V.V., Lein A.Y., Ayupova N.R., Tseluyko A.S., Artemyev D.S., Kotlyarov V.A.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».