ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2012, № 3, с. 3-13
УДК 550.42.47:551.214
ЭВОЛЮЦИЯ РЕЖИМА И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РАСТВОРОВ НОВООБРАЗОВАННОГО ГЕЙЗЕРА В КАЛЬДЕРЕ УЗОН (КАМЧАТКА)
© 2012 г. Г. А. Карпов1, А. Г. Николаева1, В. Н. Акимов2, В. Ф. Гальченко3
Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН 683006 Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, e-mail: karpovga@kscnet.ru 2Институт биохимии и физиологии микроорганизмов им. Скрябина РАН 142290 Московская обл., Пущино, просп. Науки, 5 3Институт микробиологии им. С.Н. Виноградского РАН 117312 Москва, просп. 60-летия Октября, 7/2 Поступила в редакцию 12.04.2011 г.
Исследованы вариации режима и физико-химических характеристик растворов гейзера, образовавшегося в 2008 г. в кальдере Узон на месте пульсирующего источника. Описаны отличительные особенности деятельности гейзера в 2009 и 2010 гг. Впервые отмечен перегрев воды до 100.13°С на устье гейзера во время извержения. Рассмотрен состав растворов и свободных газов гейзера. Обсуждаются вопросы глубинности растворов и причины возникновения гейзера.
ВВЕДЕНИЕ
Природный гейзерный процесс излияния перегретой воды, при котором происходит изменение агрегатного состояния и вещественного состава теплоносителя, характерный для современных гидротермальных систем областей активного вулканизма, еще недостаточно изучен. Это связано с невозможностью детально исследовать строение аппарата гейзера. Достоверно известно, что типичные гейзеры имеют выводной канал, по которому на поверхность поступает перегретая вода, и что прерывистый гейзерный режим определяется периодичностью поступления воды, в цикле которой имеют место следующие одна за другой стадии — покоя (когда верхняя часть канала осушается и движение воды не наблюдается), наполнения канала водой, ее излива, фонтанирования (собственно извержения) и, иногда, стадия парения. Считается, что извержение гейзера происходит вследствие вскипания воды в подземном резервуаре (камере) и вытаскивания парлифтом из канала на поверхность менее нагретой водной "пробки". Следовательно, должен осуществляться постоянный или дискретный приток теплоносителя в зону резервуара.
Пока не ясны многие вопросы строения резервуара и механизма работы гейзера. На каких глубинах должен находиться резервуар? Какую геометрию и размеры он имеет? Какова природа теплоносителя и на какой глубине происходит вскипание? Идет ли конденсация пара в выводном канале или он весь выбрасывается с выталкиваемой
им водой? Наконец, с какой водой смешивается высокотемпературный теплоноситель — поверхностной, маломинерализованной, или с глубинным раствором, т.е. идет ли дренирование каналом гейзера одного или нескольких водоносных горизонтов?
На базе наблюдений работы геотермальных скважин [Сугробов, 1965] и природных гейзеров [Набоко, 1954; Устинова, 1955; Мержанов и др., 1970] было построено несколько моделей гейзерного процесса, дающих общее представление о гейзерном режиме истечения воды. Наблюдения за работой гейзера, возникшего в 2008 г. на термальном поле в кальдере Узон, дали возможность получить некоторые новые данные, позволяющие дополнить наши знания о гейзерном процессе.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ
В июле—августе 2009 г. и в сентябре 2010 г. нами были проведены режимные наблюдения за деятельностью гейзера, который возник на месте пульсирующего источника в кальдере Узон.
Кольцевая вулкано-тектоническая структура — кальдера Узон (рис. 1) приурочена к крупному верхнеплейстоценовому вулканическому центру, расположенному почти в центральной части Восточного вулканического пояса Камчатки. В кальдере локализована современная выокотемператур-ная гидротермальная система, проявляющаяся на поверхности выходами термальных источников, грязевых котлов и грязевых "микровулканчиков", термальных озер и площадок прогретых пород
Рис. 1. Общий вид кальдеры Узон с юго-востока. Звездочкой обозначено местоположение гейзера Шаман, а ромбом — новообразованный грязевой вулкан.
(рис. 2). Геологическую известность кальдера приобрела после обнаружения в ней зон формирующегося в настоящее время сульфидного Аз— ВЬ—Щ—оруденения и проявлений нефти [Набо-ко, 1974; Бескровный и др., 1971; Карпов, Павлов, 1976]. Гидротермальная система в кальдере
Рис. 2. Общий вид Центрального (Второго) участка Восточного термального поля в кальдере Узон.
характеризуется проявлениями высокоминерализованных гидротерм хлоридно-натриевого состава с широкой дифференциацией типов терм — от кислых до субщелочных [Набоко, 1974; Карпов, 1974, 1988].
Целью наших исследований было получение новых данных по эволюции режима и динамике физико-химических характеристик новообразованного гейзера, интересного тем, что он образовался в пределах современной минерало-рудооб-разующей гидротермальной системы и что режим его деятельности существенно изменялся во времени.
Гейзер, которому мы дали название Шаман, возник на месте слабо пульсирующего источника, за которым велись многолетние режимные наблюдения. Его первые очень слабые извержения наблюдал инспектор Кроноцкого государственного природного биосферного заповедника Р.В. Чуприн осенью 2008 г.
Грифон гейзера расположен в ССЗ секторе Первого участка Восточного термального поля кальдеры Узон, примерно в 200 м к западу от крупного оз. Банное и в 50 м к востоку от группы источников Парящий Сапожок. Он находится близ основания невысокого бугра, имеющего общую ССВ ориентировку (рис. 3). Бугор сложен измененными обохренными алевро-псаммито-выми и псефитовыми туфами. В северном секто-
ре бугра отмечены два крупных останца плиты, представляющей собой опализированные гравелиты темного цвета. На поверхности бугра встречаются изометричные обломки кавернозного гейзерита светло-серого цвета и многочисленные крупные остроугольные обломки опализирован-ных туфов белого цвета. Здесь же наблюдаются высыпки серы. С запада грифон гейзера обтекает ручей от источника Молочный (Вертолетный), а с востока — ручей Каскадный, в котором есть грифон с пульсирующим режимом истечения воды.
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Измерения температуры. Измерения проводили с помощью термощупа "ТК-5.05" (точность измерений 0.5°С) длиной 1 м и датчиков температуры типа DS1922T (термохроны: Maxim, Dallas Semiconductor, США, точность измерений 0.01°С). Датчики помещали в пластиковые перфорированные контейнеры и в цилиндры из нержавеющей стали, которые устанавливались в канале гейзера на шнуре, подвешенном на двух растяжках. Глубина погружения датчика составляла 50 см от наименьшего уровня воды в чаше гейзера. Параллельно аналогичными датчиками проводили измерение температуры окружающего воздуха на высоте 20 см от грунта в тени. В датчиках устанавливали режим автоматической регистрации температуры через определенный промежуток времени (в канале гейзера — через 2 сек, для воздуха — через 5 мин).
Отбор воды и свободных газов. Пробы воды отбирались в пластиковые бутылки путем зачерпывания ее из грифона гейзера, а в период извержения — посредством предварительного сбора в пластиковый таз, установленный в зоне падения изверженной массы воды. Параллельно с отбором производились измерения T °C, pH, Eh воды.
Пробы свободных газов отбирались непосредственно из канала гейзера в стадию его наполнения двумя методами: 1) методом вытеснения подсоленной воды в стеклянную бутылку; 2) в барбатер с поглотителями по стандартной методике [Никитина и др., 1989].
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Результаты наблюдений гейзера в 2009 г. Первые детальные наблюдения на гейзере выполнялись с 17 июля по 10 августа 2009 г. В этот период в кальдере наблюдалась высокая температура воздуха — вариации температуры приземной атмосферы по нашим измерениям составляли от 8.9 ночью до 35.5°С днем. Среднестатистическая температура в дневное время была порядка 22°С.
Морфология грифона и канала гейзера. Грифон гейзера в начале своего существования имел округлую форму диаметром порядка 1.5 м, но к
Рис. 3. Общий вид термального участка с гейзером Шаман. Видно трассирование провалами грунта тектонического разлома субмеридионального простирания.
июлю 2009 г. он приобрел изометричные очертания с размером 4.5 х 6 м. Удлинение имеет субмеридиональную направленность. Северный берег грифона крутой. Четко просматриваются два уровня положения воды, фиксирующихся кольцевыми террасками. Верхний уровень отражает положение воды при полном заполнении грифона, а нижний, уступом порядка 0.4 м, отмечает самый низкий уровень воды после извержения. Устье канала гейзера обнажается очень редко и имеет слегка овальную форму и размер 25 х 30 см.
Канал несколько смещен от центра грифона к северу. Он промерен нами штангой и до глубины 1.85 м имеет диаметр около 15 см и идет вертикально. Глубже он сильно сужается.
Режимные наблюдения выполнены в два этапа. Первый (17—18 июля 2009 г.) включал визуальные наблюдения и измерения температуры воды термощупом "ТК-5.05" с хронометрированием режима деятельности секундомером. С самого начала деятельности гейзер имел все четыре характерных периода (стадии) активности: (1) подъем воды и заполнение грифона до уровня перелива в ручей; (2) бурное кипение и начало перелива воды в ручей; (3) извержение с выбросом па-ро-водяной смеси (нередко с грязью) на высоту более 4—6 м; (4) уход воды в канал до минимального уровня.
Т °С 100
98
96
94
92
90
88
86
ОООООООООООООООООООООООО'
I (чч. мм)
Рис. 4. Профиль температурного режима гейзера Шаман за период 11-ти извержений 28.07.2009 (время местное).
Однако деятельность гейзера этого периода наблюдения отличалась некоторыми особенностями. После завершения извержения уровень воды в грифоне обычно быстро падал на 0.5 м (с характерным воронкообразным уходом воды в канал). До минимального уровня вода уходила обычно за 1.5 мин. Достигнув минимума, уровень стабилизировался. В это время отсутствовало бурление воды. В нескольких точках наблюдались выходы мелких пузырьков газа. Этот период длился от 45 сек до 2 мин, после чего происходил небольшой всплеск над выводным каналом и начинался быстрый подъем воды и заполнение грифона. Бурление и всплески воды быстро уси
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.