Mantle origin of methane in the Black Sea

A new distribution map of gas seeps and mud volcanoes has been compiled of the Black Sea. It has been derived from the published coordinates for ca. 5000 gas seeps and 80 mud volcanoes. An analysis of the stable isotopic composition of methane has been performed for authigenic carbonates and sediments.Составлено новую карту выходов газа и грязевых вулканов в Черном море. Основу карты составляют опубликованы координаты около 5000 газовых выходов и 80 грязевых вулканов. Проанализированы стабильный изотопный состав метана для аутигенных карбонатов и осадков.Складено нову карту виходів газу і грязьових вулканів у Чорному морі. Основу карти складають опубліковані координати близько 5000 газових виходів і 80 грязьових вулканів. Проаналізовано стабільний ізотопний склад метану для аутигенних карбонатів і осадів

Heterogeneous structure of the lithosphere in the Black Sea from a multidisciplinary analysis of geophysical fields

Magnetic, gravity, geothermal, seismic and tomographic data from the lithosphere were first jointly examined. A multidisciplinary interpretation has resulted in a new and consistent model for lithospheric density, magnetic, thermal and velocity heterogeneities. Faults of different orders for the crystalline crust have been mapped in details. Large deep fault zones were recognized. Among them is the most prominent Odessa-Sinop-Ordu (OSO) fault zone, which played a key role in the opening and development of the Black Sea Depression. A fundamental difference was revealed between the crustal and mantle structure and geophysical parameters of the Western Black Sea Basin (WBSB) and Eastern Black Sea Basin (EBSB). These dissimilarities are in the size of «non-granitic» crust, pattern and intensity of heat flow, topography of the lower boundary of the thermal lithosphere, mantle seismic velocity and structure of magnetic and residual gravity anomalies. Based on new information it was demonstrated that the WBSB and EBSB were diachronously formed on two large distinct continental blocks with independent post-rift development of the sub-basins. The rifting of the western sub-basin commenced earlier than that of the eastern one. The EBSB is characterized by younger thermal activity than the WBSB and consequently it was stabilized later. The Mid Black Sea High (MBSH) is not a single tectonic unit but is formed by two ridges of various crystalline crustal structure and age shifted relative to each other by the faults of the OSO zone

Thermal flow and geothermic models of the earth’s crust of the Ukrainian Carpathians

Within the limits of the Ukrainian sector of the East Carpathians and adjacent edge of the East European platform thermal flows vary from 35 to 130 mVt/m2. It has been shown on the base of geological-geophysical analysis and mathematical modeling of the heat flow that the principal regularities in distribution of thermal flow are controlled by regional tectonic zoning, which was formed by the process of geological development of the region. Low values of heat flow correspond to the structures with earth’s crust produced in Precambrian and Early Paleozoic (the slope of Precambrian platform and considerable parts of Pre-Carpathian flexure and external flysh Carpathians). Variations of thermal flow within the Folded Carpathians are possibly stipulated by lateral changes of heat generation or heat conductivity within sedimentary layer. High thermal flows in the Pannonian basin are associated with special features of tectonic evolution of lithosphere and earth’s crust during the Alpine stage and with magmatic activity. The increase of thermal flow is conditioned by stretching of the earth’s crust and lifting of asthenosphere

Thermal flow and geothermic models of the earth’s crust of the Ukrainian Carpathians

Within the limits of the Ukrainian sector of the East Carpathians and adjacent edge of the East European platform thermal flows vary from 35 to 130 mVt/m2. It has been shown on the base of geological-geophysical analysis and mathematical modeling of the heat flow that the principal regularities in distribution of thermal flow are controlled by regional tectonic zoning, which was formed by the process of geological development of the region. Low values of heat flow correspond to the structures with earth’s crust produced in Precambrian and Early Paleozoic (the slope of Precambrian platform and considerable parts of Pre-Carpathian flexure and external flysh Carpathians). Variations of thermal flow within the Folded Carpathians are possibly stipulated by lateral changes of heat generation or heat conductivity within sedimentary layer. High thermal flows in the Pannonian basin are associated with special features of tectonic evolution of lithosphere and earth’s crust during the Alpine stage and with magmatic activity. The increase of thermal flow is conditioned by stretching of the earth’s crust and lifting of asthenosphere

Geothermal conditions of the Black Sea basin and its surroundings

A scheme of thermal flow dіstrіbutіon іn the Black Sea and adjacent areas of the land has been gіven, results of geologіcal-geophysіcal analysіs of thermal fіeld іncludіng the model of formatіon durіng the process of evolutіon of sedіmentary basіn. Deep water depressіon of the Black Sea іs specіfіed by low heat flows (20-40 mVt/m2). The anomaly of low heat flows practіcally coіncіdes wіth the contour of the Neogene-Quaternary depressіon, whіch іndі-cates determіnatіve role of іts Post-Olіgocene hіstory іn formatіon of modern morphology of thermal fіeld. The anomaly of hіgh heat flows (40-44 mVt/m2), specіfіc for the structures of Late Mesozoіc-Cenozoіc stage of actіve development, іs dіstіnguіshed at the surface level of the upper mantle under the Black Sea mega-depressіon. The adjacent structures of the land are specіfіed by preferably іncreased heat flows (50-80 mVt/m2). Several levels of thermal fіeld are traced here, whіch conform wіth maіn stages of tectonіc actіvіzatіon of thіs regіon

Geothermal sections of the earth's crust and upper mantle of the Black Sea and its northern border

Results of measurements of heat flow and mathematical simulation of geothermic state of the lithosphere along two profiles, crossing the western and the eastern depressions of the Black Sea and flanking northward tectonic structures of different age have been presented. It has been shown that considerable variations of temperatures and heat flow within the lithosphere by lateral, depth and temporally are related to both geodynamic processes, accompanied by intensification of heat evacuation from the Earth interior during the stages of activization of tectono-magmatic activity and violation of heat transfer conditions and distribution of radiogenic heat sources in the Earth’s crust, stipulated by special features of its structure and evolution. Great effect on distribution of surface heat flow in the Black Sea basin is produced by tectonic reconstruction of the lithosphere since Late Meso-Cenozoic, accumulation of thick terrains of young sediments, formation of thrust faults, dynamics of fluids et al. Anomalously low heat flows in the Black Sea megadepression are related to sedimentation of thick terrains of Pliocene-Quaternary formations. Situation changes with depth. The mantle component of heat flow has maximal values under «granitless» depressions of the Black Sea. Within their limits isotherms occupy superior position. The thickness of geothermic lithosphere changes from 80-90 km under the West Black Sea and East Black Sea Depressions to 180-200 km under the south slope of the East European Platform. Position of geothermic asthenosphere has been compared to the results of seismotomographic studies. In behavior of geothermic asthenosphere and the layer of decreased seismic velocities in the upper mantle some general regularities, complicated by peculiarities of geological development of separate tectonic elements can be traced

Геотектонічні та геотермічні умови зон флюїдного і газового розвантаження в Чорному морі

This paper presents the investigation results of geodynamic, geothermal and geochemical conditions of gas emission zones in the anoxic Black Sea Basin. Gases are manifested in the form of seeps, fountains, mud volcanoes (MV), gas hydrates and authigenic carbonates. Several thousand gas seeps and more than 80 MVs have been found in the Black Sea Basin. Most of them are associated with fault zones, abyssal fractures, shale diapir and others zones of neo-tectonic activity. Gas seeps occur mostly on the outer shelf and in the upper part of continental slope (at a depth of 50—800 m), and MVs are distinguished in the central and the most submerged part of the Western Black Sea sub-basin, as well as in the periphery troughs. Gas hydrates occur in subsurface sedimentary layers near MVs and gas seeps at a water depth of more than 700 m. Methane is the dominant component among natural gases (90—95 %) from seeps and MVs. Methane homologous, carbon dioxide, hydrogen sulphide, nitrogen etc. are also present in different proportions. Breccia from MVs also contains oil components, different minerals (carbonates, sulphides, sulphates, phosphates) and dispersed particles of native metals. Based on seismic refraction data, the feeder channels of MVs penetrate to the base of Maykop sediments or to the Mesozoic basement (at a depth of 10—16 km). An analysis of the isotopic composition of methane from different sources (sediments, seeps, MVs and authigenic carbonates) has been performed. The stable carbon isotopic composition values (13C) range from -90 ‰ to -30 ‰ in methane and from -46.9 ‰ to - 8.5 ‰ in carbonates. Carbon isotopic composition in methane depends on its origin (organic or anorganic), as well as on thermodynamic conditions of its formation and migration. Changes in these conditions are accompanied by changes in chemical composition of hydrocarbon gases (from СО2 to СН4), as well as by isotopic composition fractionation of their components. These changes are possible only under mantle conditions. Heterogeneity of carbon isotopic composition in methane of the Black Sea Basin represents the variety of terms of its formation and is coherent with geotectonic zoning at the level of basement, as well as with peculiarities of geodynamic and geothermal conditions. Such coherence attests a significant (maybe even critical) role of abyssal processes in Earth degassing.Based on comprehensive analysis of manifestation peculiarities of gas emission, chemical and isotopic composition of carbon gases, as well as of geodynamic and geothermal conditions, it can be assumed that methane in the Black Sea Basin seems to be a product of the mixture in variable proportions of methane of different origin with distinct carbon isotopic composition: microbiogenic in near bottom layer of sediments, thermogenic in sedimentary layer and abyssal, entered through the fault zones from mantle in the form of fluid-and-gas flows. Hydrocarbon formation takes place under certain thermodynamic conditions (250<T<700 °C) and in presence of primary components (C-H-O) in sufficient quantities. However, there is a lack of carbon in deplete upper mantle. In the course of Earth evolution it was transferred to the earth crust with other volatile elements. Besides, a carbon of biogenic origin was accumulated in the earth crust. Therefore, the respective geodynamic conditions that facilitate the processes of subsidence and earth crust heating (conditions of subduction and collision) are required for hydrocarbon generation. Some other peculiarities of Earth degassing, in particular enrichment of abyssal gas flows with carbon light isotope are also satisfactory explained by Earth crust recycling process.Приведены результаты исследований геодинамических, геотермических и геохимических условий зон газовой эмиссии в анаэробном бассейне Черного моря. Выделение газа в осадочной толще и на ее поверхности проявляются в форме фонтанов, сипов, грязевых вулканов, газовых гидратов, аутигенных карбонатов. В Черноморском бассейне выявлено несколько тысяч газовых сипов и свыше 80 грязевых вулканов. Они находятся преимущественно в зонах тектонических нарушений, глубинных разломов, глиняных диапиров и других проявлений неотектонической активности. Большинство газовых сипов концентрируется на внешнем шельфе и в верхней части континентального склона (в интервале глубин 50—800 м), а грязевые вулканы — в центральной, наиболее погруженной части Западно-Черноморского суббассейна и в периферических прогибах. Газовые гидраты фиксируются вблизи газовых сипов и грязевых вулканов в приповерхностном шаре осадков на глубине моря свыше 700 м. Среди газов преобладает метан (90—95 %). В качестве примесей отмечаются также гомологи метана, диоксид углерода, сероводород, азот и др. В брекчии грязевых вулканов содержатся нефтепродукты, разные минералы (карбонаты, сульфиды, сульфаты, фосфаты), дисперсные частички самородных металлов. По сейсмическим данным подводящие каналы грязевых вулканов проникают к основанию майкопских отложений и в некоторых случаях к мезозойскому фундаменту (до глубин 10—16 км).Проанализирован изотопный состав метана из разных источников (осадков, сипов, грязевых вулканов и аутигенных карбонатов). Показатель изотопного состава углерода (δ13С) изменяется от -90 до -30 в метане и от -46,9 до -8,5 ‰ в карбонатах. Изотопный состав углерода в метане зависит от его происхождения (органического или неорганического), термодинамических условий образования и миграции. Изменение этих условий сопровождается изменением химического состава углеродсодержащих газов (от СО2 до СН4) и фракционированием изотопного состава их компонентов. Такие изменения возможны только в мантийных условиях. Гетерогенность изотопного состава углерода в метане Черноморского бассейна отображает разнообразие условий его образования и согласуется с геотектоническим районированием на уровне фундамента и особенностями геодинамического и геотермического режима. Такая согласованность свидетельствует о значительной (если не решающей) роли глубинных процессов в дегазации Земли.По результатам комплексного анализа особенностей проявлений газовой эмиссии, химического и изотопного состава углеродных газов, геодинамических и геотермических условий можно сделать предположение, что метан в Черноморском бассейне является продуктом смешивания в изменяющихся пропорциях метана разного происхождения с отличающимся изотопным составом углерода: микробиогенного в придонном шаре осадков, термогенного в осадочном шаре и глубинного, который поступает по разломным зонам из мантии в виде флюидогазовых потоков. Образование углеводородов происходит при определенных термодинамических условиях (250<T<700 °C) и наличии в достаточном количестве исходных элементов (C—H—O). Однако деплетированная верхняя мантия обеднена углеродом. В процессе эволюции Земли он вместе с другими летучими элементами был перемещен в земную кору. Кроме того, в земной коре накапливался углерод биогенного происхождения. Следовательно, для генерации углеводородов необходимы соответственные геодинамические условия, которые приводят к погружению и нагреванию земной коры (условия субдукции и коллизии). Рециклинг земной коры удовлетворительно объясняет и некоторые другие особенности дегазации Земли, в частности обогащение глубинных газовых потоков легким изотопом углерода.Наведено результати дослідження геодинамічних, геотермічних і геохімічних умов зон газової емісії в анаеробному басейні Чорного моря. Виділення газу в осадовій товщі і на її поверхні виявляються у вигляді фонтанів, сипів, грязьових вулканів, газових гідратів, аутигенних карбонатів. У Чорноморському басейні виявлено декілька тисяч газових сипів і понад 80 грязьових вулканів. Вони розміщуються переважно в зонах тектонічних порушень, глибинних розломів, глиняних діапірів та інших проявів неотектонічної активності. Більшість газових сипів концентруються на зовнішньому шельфі та у верхній частині континентального схилу (в інтервалі глибин 50—800 м), а грязьові вулкани — у центральній, найбільш зануреній частині Західночорноморського суббасейну і в периферійних прогинах. Газові гідрати трапляються поблизу газових сипів і грязьових вулканів у приповерхневому шарі осадів за глибини моря понад 700 м. Серед газів переважає метан (90—95 %). Як домішки зафіксовано також гомологи метану, діоксид вуглецю, сірководень, азот та ін. У брекчії грязьових вулканів містяться нафтопродукти, різні мінерали (карбонати, сульфіди, сульфати, фосфати), дисперсні частинки самородних металів. За сейсмічними даними підвідні канали грязьових вулканів проникають до підошви майкопських відкладів або мезозойського фундаменту (до глибин 10—16 км).Проаналізовано ізотопний склад метану із різних джерел (осадів, сипів, грязьових вулканів та аутигенних карбонатів). Показник ізотопного складу вуглецю (δ13С) змінюється від -90 до -30 ‰ у метані і від -46,9 до -8,5 ‰ у карбонатах. Ізотопний склад вуглецю у метані залежить від його походження (органічного чи неорганічного), термодинамічних умов утворення та міграції. Зміна цих умов супроводжується зміною хімічного складу вуглеводневих газів (від СО2 до СН4) і фракціонуванням ізотопного складу їх компонентів. Такі зміни можливі лише в мантійних умовах. Гетерогенність ізотопного складу вуглецю в метані Чорноморського басейну відображає різноманітність умов його утворення і узгоджується з геотектонічним районуванням на рівні фундаменту та особливостями геодинамічного й геотермічного режиму. Така узгодженість свідчить про значну (якщо не вирішальну) роль глибинних процесів у дегазації Землі.За комплексним аналізом особливостей вияву газової емісії, хімічного та ізотопного складу вуглецевих газів, геодинамічних і геотермічних умов можна припустити, що метан у Чорноморському басейні є продуктом змішування в змінних пропорціях метану різного походження з відмінним ізотопним складом вуглецю: мікробіогенного у придонному шарі осадів, термогенного в осадовому шарі й глибинного, що надходить по розломних зонах із мантії у вигляді флюїдогазових потоків. Вуглеводні утворюються за певних термодинамічних умов (250<T<700 °C) і наявності в достатній кількості вихідних елементів (C—H—O). Втім у деплетованій верхній мантії бракує вуглецю. В процесі еволюції Землі він разом з іншими леткими елементами був переміщений в земну кору. Крім того, в земній корі накопичився вуглець біогенного походження. Отже, для генерації вуглеводнів необхідні відповідні геодинамічні умови, які сприяють зануренню і нагріванню земної кори (умови субдукції та колізії). Рециклінг земної кори задовільно пояснює і деякі інші особливості дегазації Землі, зокрема збагачення глибинних газових потоків легким ізотопом вуглецю

Problems of assessing the oil and gas potential of the north-eastern part of the Ukrainian sector of the Black Sea

For the first time oil and gas perspectives have been evaluated for the NE Ukrainian sector in the Black Sea applying a world -wide acknowledged methodology whose coherent constituents are modelling thermal regime of a basin, taking into account of a kerogen type and analyzing migration paths. It has been demonstrated that the Maykop series cannot provide with sufficient hydrocarbon potential. However, there are favourable conditions in this region for replenishing and accumulating hydrocarbons due to their migrating from deeper sources, including the upper mantle. To evaluate this oil and gas potential it is necessary to perform geological exploration in the zone of gas seeps as well as laboratory studying isotopic composition of carbon and hydrogen in methane

Geophysical heterogeneity of the lithosphere of the megabasin of the Black Sea

Magnetic, gravity, heat flow, seismic and Vp -tomographic data from the Black Sea basin has been interpreted comprehensively for the first time. It has resulted in a new and consistent image of lithosphere density, magnetic, thermal and velocity heterogeneities. The most detailed map of faults is compiled for the consolidated crust. A substantial and important difference in the crust and mantle structure and geophysical parameters of the Western and Eastern Black Sea depressions is revealed. These dissimilarities are in the sizes of areas of "granite-less" crust, pattern and intensity of heat flow, topography of the bottom of the crust, thermal lithosphere, mantle seismic velocity and structure of magnetic and gravity anomalies of the crust. The large mantle long-lived fault zones have been more reliably delineated in the Black Sea with the most prominent Odessa-Sinop fault zone. The Western and Eastern Black Sea depressions have been sequentially formed on two large distinct continental blocks with independent post-rift development. The rifting of the western basin began earlier than that of the eastern one. The Eastern Black Sea basin is characterized by longer thermal activity than the Western Black Sea basin and consequently it has been stabilized later