ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2009, № 6, с. 26-43
УДК 551.23/21;558.42
ГИДРОГЕОХИМИЯ ТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВУЛКАНА МУТНОВСКИЙ (ЮЖНАЯ КАМЧАТКА)
© 2009 г. С. Б. Бортникова1, Г. М. Гавриленко2, Е. П. Бессонова3, А. С. Лапухов3
1Институт нефтегазовой геологии и геофизики СО РАН, Новосибирск, 630090 2Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 683006 3Институт геологии и минералогии СО РАН, Новосибирск, 630090 Поступила в редакцию 27.12.2008 г.
Приведены результаты гидрогеохимического исследования термальных источников вулкана Мутнов-ский. Определено, что растворы кипящих котлов и поровые воды термальных площадок на Донном поле имеют аномальный состав широкого спектра химических элементов, включая редкоземельные (РЗЭ) и платиноиды (ЭПГ). Значительные вариации в макро- и микрокомпонентном составе растворов различных источников указывают на разные способы их формирования и транспорта к поверхности. Физико-химическим моделированием показано, что исследованные термальные котлы могут формироваться при подъеме сепарата по открытому трещинному каналу из зоны вторичного кипения смешанных флюидов. Высокие концентрации титана, ванадия, хрома, никеля, кобальта, РЗЭ, ЭПГ свидетельствуют об их глубинном источнике. Химические формы нахождения элементов в растворах (главным образом, свободные аква-ионы) и ультракислая среда способствуют высокой подвижности изученных элементов. Их отложение и концентрирование в приповерхностных условиях маловероятно.
ВВЕДЕНИЕ
Гидрогеохимические особенности термальных источников, разгружающихся на склонах и в кратерах активных вулканов, зависят от целого ряда эк-зо- и эндогенных факторов, воздействующих на магматические флюиды, отделяющиеся от расплава в процессе пневматолитовой дифференциации (кипении) близповерхностных магматических тел в недрах вулканических построек. В первую очередь, на содержание химических элементов, а также физико-химические характеристики достигающих поверхности термальных растворов влияет степень разбавления исходного флюида грунтовыми (вадоз-ными) водами, т.е. соотношение флюид/метеорные воды. Это соотношение может сдвигаться в ту или иную сторону в зависимости от метеорологических и гидрологических условий на конкретном вулкане, а также от геоструктурных особенностей путей миграции флюидов. Немаловажным фактором формирования вулканических терм является состав вмещающих вулканогенных толщ, по которым они циркулируют. При этом наибольший эффект процесса экстракции химических элементов из вмещающих пород достигается термальными растворами, имеющих в своем составе меньшую долю метеорных вод [30].
Появившиеся в вулканологической литературе в последнее десятилетие данные о широком круге микроэлементов и их специфических ассоциациях в термальных водах активных вулканов [2, 29, 30, 32 и др.] позволяют количественно оценить долю химических элементов, которые поступают из различ-
ных эндо- и экзогенных источников, формируя конечные поверхностные растворы. Совокупность гидрогеохимических данных и результатов физико-химического моделирования форм нахождения элементов в растворах для реальных условий позволяет с определенной долей приближения представить строение вулкано-гидротермальной системы того или иного исследуемого объекта, а также понять процессы и механизмы на путях миграции флюида, начиная с момента его отделения от магматического расплава до появления на дневной поверхности.
Растворы ряда газогидротермальных источников вулкана Мутновский по своему химическому составу очень сильно отличаются от аналогичных термопроявлений на других известных активных вулканах мира, где в настоящее время проводятся гидрогеохимические исследования [3]. Этот факт заставляет ответить на вопрос о происхождении и возможных источниках химических элементов в гидротермах Мутновского вулкана. С этой целью в предлагаемой статье приводятся и анализируются данные по гидрогеохимии термальных растворов вулкана Мутновский, а на основании термодинамического моделирования делается предположение об их генезисе.
ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЙ
Вулкан Мутновский один из наиболее активных вулканов Южной Камчатки. Его постройка, имеющая максимальную высоту 2323 м над уровнем моря, состоит из четырех тесно сближенных, последовательно формировавшихся стратоконусов
с вершинными кальдерами и дочерними внутри-кальдерными сооружениями, а весь его массив осложнен многочисленными конусами побочных извержений [25].
Изучение активности вулкана Мутновский в прошлом показывает, что он прошел стадию роста еще в позднем плейстоцене. В голоцене для него характерна эксплозивная деятельность умеренного характера с преобладанием слабых и средних по силе (преимущественно фреатических) извержений и полное отсутствие излияний лавы. В историческое время наряду с фреатическими происходили извержения с выносом ювенильного материала базальтового состава. Материал последних извержений, начиная с 1904 г., был резургентным, что установлено для извержений 1927-1929, 1960-1961, 2000 и 2007 гг. [4, 7, 12, 18].
В достаточно протяженный интервал времени с 1961 по 2000 гг., и спокойные периоды между фазами активизаций в начале 2000-х годов, вулкан Мутновский находится в стадии фумарольно-гидротер-мальной деятельности с необычайно высокими энергетическими параметрами: 1800-1900 МВт, что квалифицируется рядом исследователей как "пассивное извержение" [18, 22].
В эти периоды "затишья" активность вулкана реализуется через обширную сеть термопроявлений в активных кратерах и на склонах вулкана. Собственно, для его кратеров известны и постоянно наблюдаются высокотемпературные фумаролы Активной воронки, средне- и низкотемпературные парогазовые выходы и термальные проявления Северо-Восточного (СВ) кратера вулкана [3, 11, 26, 27 и др].
Активная воронка представляет собой молодой взрывной кратер, возникший на последнем этапе деятельности Мутновского вулкана (рис. 1). Время образования этого кратера датируется возрастом 1200-1300 лет [25]. В настоящее время в этом кратере сосредоточены наиболее мощные и высокотемпературные парогазовые (фумарольные) выходы вулкана. Соответственно, здесь происходит максимальная массэнергетическая разгрузка вулкана. По данным Б.Г. Поляка [22] и Ю.А. Тарана с коллегами [27] Активная воронка поставляет 200 т/сут 802 и 1600 МВт тепловой энергии.
Активность северо-восточного кратера характеризуется наличием в нем трех основных групп газогидротермальных выходов: двух обособленных участков на Донном фумарольном поле: Северного и Южного с температурами более 100°С, а также разгрузок на Верхнем фумарольном поле с температурами выше 300°С.
Из-за высокой сейсмической активности и практически непрерывного спазматического вулканического дрожания в районе постройки вулкана [16], на Донном поле наблюдается смещение мест и интенсивности фумарол и термальных источников. По-
видимому, по этой причине на нем возникают аномальные по составу источники, исследование которых позволяет понять особенности гидродинамики и состава надкритических магматических флюидов в высоко проницаемых флюидопроводниках. В статье излагаются аналитические данные о составе источников вулкана Мутновский и результаты физико-химического моделирования форм нахождения элементов в растворах, что позволяет приблизиться к пониманию динамики современной магматогенной флюидной системы вулкана.
МЕТОДЫ ИЗУЧЕНИЯ
В 2003-2006 гг. на Мутновском вулкане опробованы источники, водоемы, грязевые котлы Донного поля, водоемы на дне Активной воронки (АВ) и воды из озера в кратере Кирсанова, которое образовалось после извержения в марте 2000 г. рядом с АВ (рис. 1).
1. На Донном поле:
- небольшие кипящие котлы с прозрачной или полупрозрачной водой;
- стоячие мелкие водоемы, образующиеся, главным образом, за счет питания снежной, талой водой, в том числе три водоема, вода которых окрашена в темно-рыжий цвет;
- кипящие грязевые котлы, цвет которых варьирует от желтовато-белого до густо-черного.
2. В прибрежной части озера в кратере Кирсанова (2003 г.), когда в его водной толще наблюдалась активная подводная газогидротермальная деятельность, выражавшаяся на поверхности в виде интенсивной турбуленции вод и выноса в атмосферу большого количества вулканических газов.
3. Два небольших озерка на дне Активной воронки и несколько временных небольших "луж", образующихся за счет атмосферных осадков, исчезающих в сухую погоду.
Пробы отбирались фторопластовым пробоотборником, любые контакты с металлами были исключены. При опробовании водных растворов на месте замерялись рН, БИ, Т °С после некоторого отстаивания взвеси. Для лабораторного анализа в процессе отбора пробы воды фильтровались через мембранные фильтры (диаметр пор 0.45 цш). При транспортировке отобранные растворы хранились в пластиковых контейнерах.
4. Отобраны также пробы грунта и сублиматов (возгонов) на термальных площадках и со дна водоемов для отжима из них поровых вод:
- влажное вещество гидротермально измененных вмещающих пород на термальных площадках северной части Донного поля;
- донные осадки водоемов в Активной воронке;
Рис. 1. Схема опробования активных кратеров влк. Мутновский. а - карта-схема активных кратеров влк. Мутновский (карта-схема выполнена В.Н. Двигало в 2003 г.); б - детальные схемы опробования в активных кратерах влк. Мутновский: на Донном поле (ДП) Северо-Восточного кратера и в Активной воронке (АВ) (см. врезки на рис 1а). Черными точками показаны места отбора проб.
a
- самородная сера из внутренних частей фума-рольных построек (из фумарол в северной части Донного поля).
Пробы сразу же помещались в пластиковые герметичные пакеты, а затем в лабораторных условиях из них прессом при давлении 100 атм отжималась жидкая фаза.
Катионный состав и содержания микроэлементов в растворах определялись методом ИСП-АЭС на приборе IRIS Advantage в АЦ ИГМ СО РАН
(химик-аналитик, Л.Б. Трофимова). Определение содержания РЗЭ, а также Rb, Sr, Ba, Pb, Th, U в анализируемых растворах методом ИСП-МС выполнялось после разбавления и подкисления с использованием внешней градуировки в сочетании с
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.