δ11B IN THE MUD VOLCANIC WATERS OF THE KERCH-TAMAN MUD-VOLCANO AREA (CRIMEA-CAUCASUS REGION): GENESIS AND FORMATION CONDITIONS OF BORON MINERALIZATION

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The isotopic-geochemical characteristics of boron in the waters of 21 mud volcanoes of the Kerch-Taman region have been determined. Boron concentration varies from 14 to 550 mg/L, and δ11B values range from +8.3 to +54.7‰ (+21‰ on average). Low δ11B values (~+14‰) were also obtained in two freshwater samples collected from aquifers of Neogene-Quaternary sediments. These data reflect the high heterogeneity of boron isotopic characteristics in waters of various genesis and discharged on the Earth’s surface within the Kerch and Taman peninsulas. It is shown that the increase of boron concentration in mud volcanic waters is provided due to the input of boron with low isotopic values (δ11B ~+10‰). The inverse relationship between δ11B and δ18O values in water was found. It indicates unified mechanisms of enrichment of 10B and 18O in the mud volcanic waters. These processes are temperature-dependent. They demonstrate a significant correlation between boron concentrations ([B]) and isotopic values (δ11B) with T(Mg–Li)-temperatures in the range from ~40 to 130oC. Thus, the chemical ([B]) and isotopical (δ11B) variations observed in the studied mud volcanic waters reflect different depths of water chemical composition formation and, respectively, different temperature stages of catagenetic transformation of sedimentary strata. The revealed patterns are probably related to the reaction of smectite transformation into illite, which takes place in clayey strata of the Maikop series and is accompanied by the release of large volumes of dehydration waters with high δ18O values (up to +14‰). The most probable source of boron with low δ11B values is destructive smectites.

About the authors

V. Y. Lavrushin

Geological Institute of the Russian Academy of Sciences; Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS

Author for correspondence.
Email: v_lavrushin@ginras.ru
Pyzhevsky lane, 7, bld. 1, Moscow, 119017 Russia; ave. Akad. Koptyuga, 3, Novosibirsk, 630090 Russia

Y. Ma

Salt Lake Chemistry Analysis and Test Centre, Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences

Email: v_lavrushin@ginras.ru
18 Xinning Rd, Xining, Qinghai, 810008, P.R. China

C. F. You

Department of Earth Sciences, National Cheng Kung University

Email: v_lavrushin@ginras.ru
No. 1, Daxue Rd., East Dist., Tainan City 701, 10650, Taiwan (R.O.C.)

A. S. Aidarkozhina

Geological Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: v_lavrushin@ginras.ru
Pyzhevsky lane, 7, bld. 1, Moscow, 119017 Russia

E. V. Sokol

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS

Email: sokol_ag@mail.ru
ave. Akad. Koptyuga, 3, Novosibirsk, 630090 Russia

Y. P. Lin

Department of Earth Sciences, National Cheng Kung University; Research Center for Environmental Changes, Academia Sinica

Email: v_lavrushin@ginras.ru
No. 1, Daxue Rd., East Dist., Tainan City 701, 10650, Taiwan (R.O.C.); 128 Academia Road, Section 2, Nankang, Taipei, 11529, Taiwan (R.O.C.)

G. A. Chelnokov

Geological Institute of the Russian Academy of Sciences

Email: v_lavrushin@ginras.ru
Pyzhevsky lane, 7, bld. 1, Moscow, 119017 Russia

S. N. Koch

Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS

Email: v_lavrushin@ginras.ru
ave. Akad. Koptyuga, 3, Novosibirsk, 630090 Russia

X. Ma

Key Laboratory of Petroleum Resources Exploration and Evaluation, Gansu Province, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences; School of Environmental Studies, China University of Geosciences

Email: maxxan@lzb.ac.cn
№ 382 West Dong-gang Road, Lanzhou, 730000, P.R. China; Wuhan, 430074, P.R. China

G. Zheng

Key Laboratory of Petroleum Resources Exploration and Evaluation, Gansu Province, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences; School of Environmental Studies, China University of Geosciences

Email: v_lavrushin@ginras.ru
№ 382 West Dong-gang Road, Lanzhou, 730000, P.R. China; Wuhan, 430074, P.R. China

References

  1. Валяев Б.М., Гринченко Ю.И., Ерохин В.Е., Прохоров В.С., Титков Г.А. Изотопный облик газов грязевых вулканов // Литология и полез. ископаемые. 1985. № 1. С. 72–87.
  2. Гуляева Л.А. Бор грязевых вулканов // Результаты исследования грязевых вулканов Крымско-Кавказской геологической провинции. М.: Изд-во АН СССР, 1939. С. 103–123.
  3. Дриц В.А., Коссовская А.Г. Глинистые минералы: смектиты, смешаннослойные образования. М.: Наука, 1990. 214 с.
  4. Дубинина Е.О., Лаврушин В.Ю., Авдеенко А.С. Изотопный аспект формирования вод грязевых вулканов // Доклады РАН. 2004. Т. 398. № 5. С. 672–674.
  5. Ершов В.В., Левин Б.В. Новые данные о вещественном составе продуктов деятельности грязевых вулканов Керченского полуострова // ДАН. 2016. Т. 471. № 1. С. 82–86.
  6. Ковалевский С.А. Грязевые вулканы Южно-Каспийского региона (Азербайджан и Туркмения), 1940. Баку: Азтоптехиздат, 200 с.
  7. Корсаков С.Г., Белуженко Е.В., Черных В.И. и др. Государственная геологическая карта Российской Федерации масштаба 1:200000. 2-е изд. Серия Кавказская. Объяснительная записка (Электронный ресурс) // Минприроды России, Роснедра, ГНЦ ФГУГП “Южморгеология”, ФГУГП “Кавказгеолсъемка”. М.: ВСЕГЕИ, 2021.
  8. Лаврушин В.Ю., Поляк Б.Г., Прасолов Э.М., Каменский И.Л. Источники вещества в продуктах грязевого вулканизма (по изотопным, гидрохимическим и геологическим данным) // Литология и полез. ископаемые. 1996. № 6. С. 625–647.
  9. Лаврушин В.Ю., Kopf A., Deyhle A., Степанец М.И. Изотопы бора и формирование грязевулканических флюидов Тамани (Россия) и Кахетии (Грузия) // Литология и полез. ископаемые. 2003. № 2. С. 147–182.
  10. Лаврушин В.Ю., Дубинина Е.О., Авдеенко А.С. Изотопный состав кислорода и водорода вод грязевых вулканов Тамани (Россия) и Кахетии (Восточная Грузия) // Литология и полез. ископаемые. 2005. № 2. C. 143–158.
  11. Лаврушин В.Ю., Айдаркожина А., Сокол Э.В., Челноков Г.А., Петров О.Л. Грязевулканические флюиды Керченско-Таманской области: геохимические реконструкции и региональные тренды. Сообщение 1. Геохимические особенности и генезис грязевулканических вод // Литология и полез. ископаемые. 2021. № 6. С. 485–512.
  12. Лаврушин В.Ю., Айдаркожина А., Сокол Э.В., Челноков Г.А., Петров О.Л. Грязевулканические флюиды Керченско-Таманской области: геохимические реконструкции и региональные тренды. Сообщение 2. Генезис грязевулканических газов и региональные геохимические тренды // Литология и полез. ископаемые. 2022. № 1. С. 3–27.
  13. Лагунова И.А. О генезисе бора в водах грязевых вулканов // Советская геология. 1975. № 1. С. 147–152.
  14. Лагунова И.А., Гемп С.Д. О гидрохимических особенностях вод грязевых вулканов Керченско-Таманской области // Материалы по гидрогеологии и геологической роли подземных вод. Л.: ЛГУ, 1971. С. 201–210.
  15. Никитенко О.А., Ершов В.В. Глобальные закономерности формирования химического состава грязевулканических вод // Геохимия. 2021. Т. 66. № 10. С. 887–903.
  16. Попков В.И. Складчато-надвиговые дислокации. М.: Научный мир, 2001. 136 с.
  17. Попков В.И. Чешуйчато-надвиговое строение Северо-Западного Кавказа // ДАН. 2006. Т. 411. № 2. С. 223–226.
  18. Попков В.И., Попков И.В. Структурно-тектонические предпосылки нефтегазоносности и возможные типы ловушек нефти и газа в складчато-орогенных зонах на примере Северо-Западного Кавказа // Нефтегазовая геология. Теория и практика. 2017. Т. 12. № 2. С. 1–16.
  19. Расцветаев Л.М., Корсаков С.Г., Тверитинова Т.Ю., Семенуха И.Н., Маринин А.В. О некоторых общих особенностях структуры и тектодинамики Северо-Западного Кавказа // Проблемы геологии, полезных ископаемых и экологии юга России и Кавказа: Материалы П международной научной конференции, 21–23 октября 1999 г. Т. 1. Геология, полезные ископаемые, минералогия и геохимия / Отв. ред. И.А. Богуш. Новочеркасск: Южно-Российский государственный технический университет (НПИ), 1999. С. 69–73.
  20. Соколовский Л.Г., Поляков В.А., Голубкова Е.В. Изотопно-легкие подземные воды Азово-Кубанского артезианского бассейна: условия формирования и бальнеологическое значение // Разведка и охрана недр. 2007. № 5. С. 44–47.
  21. Туголесов Д.А., Горшков А.С., Мейснер Л.Б. и др. Тектоника мезо-кайнозойских отложений Черноморской впадины. М.: Недра, 1985. 215 с.
  22. Фëрстер Э., Рëнц Б. Методы корреляционного и регрессионного анализа. М.: Финансы и статистика, 1983. 304 с.
  23. Холодов В.Н. Постседиментационные преобразования в элизионных бассейнах. М.: Наука, 1983. 151 с.
  24. Холодов В.Н. Грязевые вулканы: закономерности размещения и генезис. Сообщение 2. Геолого-геохимические особенности и модель формирования // Литология и полез. ископаемые. 2002. № 4. C. 339–358.
  25. Хорн Р. Морская химия (структура воды и химия гидросферы). М.: Мир, 1972. 400 с.
  26. Шнюков Е.Ф., Соболевский Ю.В., Гнатенко Г.И. и др. Грязевые вулканы Керченско-Таманской области (атлас). Киев: Наукова Думка, 1986. 148 с.
  27. Шнюков Е.Ф., Шереметьев В.М., Маслаков Н.А. и др. Грязевые вулканы Керченско-Таманского региона. Краснодар: ГлавМедиа, 2005. 176 с.
  28. Якубов А.А., Григорьянц Б.В., Алиев А.Д. и др. Грязевой вулканизм Советского Союза и его связь с нефтегазоносностью. Баку: “ЭЛМ”, 1980. 165 с.
  29. Aydarkozhina A.S., Lavrushin V.Yu., Ermakov A.V., Chelnokov G.A., Zhang L. СO2-Rich Thermal Waters of the Neutrino Research Tunnel (Baksan Neutrino Observatory, North Caucasus) // Doklady Earth Sciences. 2024. V. 515. Part 1. P. 526–534.
  30. Boschetti T. Application of brine differentiation and Langelier–Ludwig plots to fresh-to-brine waters from sedimentary basins: Diagnostic potentials and limits // Journal of Geochemical Exploration. 2011. V. 108. Iss. 2. P. 126–130.
  31. Bruland K.W., Lohan M.C. Controls of trace metals in seawater // Treatise on Geochemistry. 2003. V. 6. P. 23–47.
  32. Chen N.C., Yang T.F., Hong W.L., Yu T.L. et al. Discharge of deeply rooted fluids from submarine mud volcanism in the Taiwan accretionary prism // Sci. Rep. 2020. V. 10(1). 381.
  33. Colten-Bradley V.A. Role of pressure in smectite dehydration – Effects on geopressure and smectite-to-illite transformation // AAPG Bull. 1987(71). P. 1414–1427.
  34. Fitts T.G., Brown K.M. Stess-induced smectite dehydration: ramifications for patterns of freshening and fluid expulsion in the N. Barbados accretionary prism // Earth Planet. Sci. Lett. 1999. V. 172. P. 179–197.
  35. Grew E.S. Boron: from cosmic scarcity to 300 minerals // Elements. 2017. V. 13(4). P. 225–229. https://doi.org/10.2138/gselements.13.4.225
  36. Ishikawa T., Nakazawa T. Boron isotope systematics of marine sediments // Earth Planet. Sci. Lett. 1993. V. 117. P. 567–580.
  37. Karandashev V.K., Leikin A.Yu., Khvostikov V.A. et al. Water analysis by inductively coupled plasma mass spectrometry // Inorganic Materials. 2016. V. 52(14). P. 1391–1404.
  38. Kharaka Y.K., Mariner R.H. Chemical Geothermomethers and Their Application to Formation Waters from Sedimentary Basins // Thermal History of Sedimentary Basins, Methods and Case Histories / Eds N.D. Naeser, T.H. McCulloh. N. Y.: Springer-Verlag, 1989. P. 99–117.
  39. Kikvadze O.E., Lavrushin V.Yu., Polyak B.G. Chemical geothermometry: application to mud volcanic waters of the Caucasus region // Front. Earth Sci. 2020. V. 14(4). P. 738–757.
  40. Kopf A., Robertson A.H.F., Clennell M.B., Flecker R. Mechanism of mud extrusion on the Mediterranean Ridge // Geomar. Lett. 1998 V. 18/3. P. 97–114.
  41. Kopf A., Deyhle A. Back to the roots: boron geochemistry of mud volcanoes and its implications for mobilization depth and global B cycling // Chem. Geol. 2002. V. 192. P. 195– 210.
  42. Kopf A., Deyhle A., Lavrushin V.Yu., Polyak B.G. et al. Isotopic evidence for deep gas and fluid migration from mud volcanoes in a zone of incipient continental collision (Caucasus, Russia) // Int. J. Earth Sciences. 2003. V. 92. P. 407–426.
  43. Lemarchand D., Gaillardet J., Lewin E., Allegre C.J. The influence of rivers on marine boron isotopes and implications for reconstructing past ocean pH // Nature. 2000. V. 408(6815). P. 951–954.
  44. Palmer M.R., Spivack A.J., Edmond J.M. Themperature and pH controls over isotopic fractionation during adsorption of boron on marine clay // Geochim. Cosmochim. Acta. 1987. V. 51(9). P. 2319–2323.
  45. Palmer M.R., Swihart G.H. Boron isotope geochemistry: an overview // Boron: Mineralogy, Petrology, and Geochemistry. Reviews in Mineralogy. V. 33. 2nd edition / Eds E.S. Grew, L.M. Anovitz. Chantilly, Virginia, USA: Miner. Soc. Amer., 1996. P. 709–744.
  46. Palmer M.R. Boron cycling in subduction zone // Elements. 2017. № 13. P. 237–242. https://doi.org/10.2138/gselements.13.4.237
  47. Saffer D.M., Kopf A.J. Boron desorption and fractionation in Subduction Zone Fore Arcs: Implications for the sources and transport of deep fluids // Geochem. Geophys. Geosyst. 2016. V. 17. P. 4992–5008.
  48. Sokol E., Kokh S., Kozmenko O. et al. Mineralogy and geochemistry of mud volcanic ejecta: a new look at old issues (a case study from the Bulganak field, Northern Black Sea) // Minerals. 2018. V. 8. P. 344. https://doi.org/10.3390/min8080344
  49. Sokol E.V., Kokh S.N., Kozmenko O.A., Lavrushin V.Yu. et al. Boron Fate in an Onshore Mud Volcanic Environment: Case Study from the Kerch Peninsula, the Caucasus Continental Collision Zone // Chem. Geol. 2019. V. 525. P. 58–81.
  50. Spivack A.J., Edmond J.M. Boron isotope exchange between seawater and oceanic cust // Geochim. Cosmochim. Acta. 1987a. V. 51(5). P. 1033–1043.
  51. Spivack A.J., Palmer M.R., Edmond J.M. The sedimentary cycle of the boron isotopes // Geochim. Cosmochim. Acta. 1987b. V. 51(7). P. 1939–1949.
  52. Vengosh A., Gieskes J., Mahn C. New evidence for the origin of hypersaline pore fluids in the Mediterranean basin // Chem. Geol. 2000. V. 163(1–4). P. 287–298.
  53. Wang Q.Z., Xiao Y.K., Wang Y.H. et al. Boron separation by the two-step ion-exchange for the isotopic measurement of boron // Chin. J. Chem. 2002. V. 20. P. 45−50.
  54. Williams L.B., Hervig R.L., Holloway J.R., Hutcheon I. Boron isotope geochemistry during diagenesis. Part I. Experimental determination of fractionation during illitization of smectite // Geochim. Cosmochim. Acta. 2001a. V. 65. P. 1769–1782.
  55. Williams L.B., Hervig R.L., Hutcheon I. Boron isotope geochemistry during diagenesis: Part II. Applications to organic-rich sediments // Geochim. Cosmochim. Acta. 2001b. V. 65. P. 1783–1794.
  56. Xiao Y.K., Beary E.S., Fassett J.D. An improved method for the high-precision isotopic measurement of boron by thermal ionization mass spectrometry // Int. J. Mass Spectrom. Ion Processes. 1988. V. 85. P. 203–213.
  57. You C.F., Spivack A.J., Gieskes J.M. et al. Experimental study of boron geochemistry: implication for fluid processes in convergent margin // Geochim. Cosmochim. Acta. 1995. V. 59. Р. 2435–2442.
  58. You C.F., Spivack A.J., Gieskes J.M. et al. Boron contents and isotopic compositions in pore waters: a new approach to determine temperature induced artifacts – geochemical implications // Mar. Geol. 1996. V. 129. Р. 351–361.
  59. You C.F., Gieskes J.M., Lee T. et al. Geochemistry of mud volcano fluids in the Taiwan accretionary prism // Appl. Geochem. 2004. V. 19(5). Р. 695–707.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

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».