ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2008, № 4, с. 36-49
УДК 551.215.6;556.3.013;556.3.072
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОСА В ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ СИСТЕМЕ КАЛЬДЕРЫ АКАДЕМИИ НАУК
© 2008 г. А. В. Ермаков
Геологический институт РАН, Москва, 119017 Поступила в редакцию 15.08.2007 г.
Построена модель гидротермальной системы кальдеры Академии Наук (Камчатка) на основе предположения об определяющей роли свободной тепловой конвекции в гидротермальной системе над магматическим очагом. Для построения модели использованы известные данные о геологическом строении, гидрогеологии и геотермии района. Обсуждаются три варианта модели. По характеру распределения температур выбран вариант модели, лучше всего соответствующий природным условиям. Определено время стабилизации гидротермальной системы, которое для всех трех вариантов имеет близкие значения (7-8 тыс. лет).
ВВЕДЕНИЕ
Карымское озеро, заполняющее кальдеру в. Академии Наук (АН),- геометрический центр огромного вулканотектонического купола, оконтуренного долинами рек Жупановой и Новый Се-мячик. Радиус купола - 30 км, его базовые высоты в районе озера 800-900 м. Карымская группа вулканов составляет центральную часть этого купола (рис. 1). В настоящее время это один из наиболее изученных вулканических районов Камчатки [3, 4, 8, 17].
По мнению Ю.П. Масуренкова [4] купол располагается над длительно живущей (около 2.5 млн. лет) магматической системой, масштаб деятельности которой к настоящему времени сокращается и вырождается. С течением четвертичного времени вулканическая активность стягивается в центр купола, сокращается объем вулканитов и в их составе - роль базальтов, уменьшаются размеры кальдер и объемы связанных с ними пирокластических отложений; вулканы эволюционируют однообразно, хотя и циклически, от базальтов к более кислым вулканитам. Это может свидетельствовать о сокращении области магматического питания вулканов, об исчерпании магматических очагов и об их завершающейся кристаллизации в интрузивных условиях.
В современный период на площади купола функционируют две независимые и пересекающиеся магматические системы: одна - унаследованная, выраженная в формировании кальдер Карымского вулкана и Академии Наук (АН), с андезито-дацитами, дацитами, связанными с неглубокими магматическими очагами, вторая - ареальная, транзитная, глубинного заложения с базальтами, андезитобазальта-ми. Простирание первой системы - субмеридиональное, второй северо-восточное [6, 14]. Две названных кальдеры с высокоподвижной перемычкой между ними, названной Г.Ф. Пилипенко Тер-
мальной депрессией, представляют собой единую тектономагматическую систему. Ее протяженность около 15 км при ширине 6 км. Деятельность второй, более глубинной системы, имеет ареальный и спорадический характер. Она выражена в образовании небольших единичных шлако-лавовых центров однородного или близкого состава (базальты, андези-тобазальты).
Проявление активности глубинной системы произошло в 1996 г., когда в кальдерном озере АН сформировался шлаковый конус андезитобазаль-тового состава. Все аспекты этого извержения были подробно изучены [2, 22-24].
В последние годы детальными комплексными работами на Карымском озере руководит Г.А. Карпов, который организовал и наши работы в 20022003 гг.
Гидротермальная система Карымского озера (кальдеры АН) была впервые исследована В.И. Вло-давцем [3] и В.Д. Троицким [21], которые описали горячие источники на южном берегу озера. В 19631965 гг. детальное описание источников было сделано Б.В. Ивановым и Р.А. Шуваловым [9]. Предположение о существовании гидротермальной системы в недрах Карымской структуры высказали Б.В. Иванов [9] и В.М. Сугробов [20]. Наиболее полное описание поверхностных проявлений гидротермальной системы дано в работах [2, 16]. Поскольку гейзерные источники в южной части кальдеры АН приурочены к крупной взрывной воронке в центральной части вулкана АН, возникают основания рассматривать их как проявления его угасающей активности.
В вопросах о строении гидротермальной системы и об источниках формирования химического состава термальных вод, их теплового питания остается еще много неясного. В данной статье впервые решается задача определить структуру геофильтрационного и теплового потоков и выяснить реальность
Рис. 1. Космический снимок центральной части Карымского вулканического центра. Названия - вулканы (вершины вулканов). Пунктирными линиями обозначены кальдеры. На севере расположена сложная система кальдер Стены-Соболиного, которая очерчена общим овалом (по [10]). Черной прямоугольной рамкой показаны границы модели.
предположения о роли тепловой конвекции в формировании гидротермальной системы кальдеры АН. С этой целью выполнено математическое моделирование гидрогеодинамического и геотемпературного полей.
ГЕОЛОГИЯ РАЙОНА КАРЫМСКОГО ОЗЕРА И ОБОСНОВАНИЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО РАЗРЕЗА, ИСПОЛЬЗОВАННОГО В РАСЧЕТНОЙ МОДЕЛИ
Вулканы Карымский и Академии Наук (и соответствующие им кальдеры) располагаются на захороненном поднятии мел-палеогенового складчатого фундамента с глубиной его поверхности около 11.5 км от уровня моря. Эта тектоно-стратиграфиче-ская граница по-видимому и контролировала расположение гипабиссальных магматических очагов. Разрез вышележащих тюшевских отложений палеогенового и раннемиоценового возраста пред-
ставлен здесь в резко сокращенной мощности. Это -преимущественно мелководные морские образования: флишоидное чередование песчаников, аргиллитов, алевролитов, реже гравеллитов, туфодиатоми-тов, содержащих редкие мергелистые конкреции; надежных региональных водоупоров в разрезах тюшевских отложений не выявлено ни при геологическом картировании, ни при бурении в районе нефте-поисковых работ (вблизи Кроноцкого п-ва).
На дислоцированных породах Восточно-Камчатского (Тюшевского) прогиба залегают с несогласием две локально распространенные плиоценовые свиты: щапинская и сторожевская, первая -раннеплиоценовая, вторая - плиоцен-четвертичная. Щапинская свита представлена раннеплиоценовы-ми прибрежно-морскими и континентальными отложениями: песчаниками, аргиллитами и алевролитами, конгломератами с прослоями бурых углей; в верхней части среди грубых континентальных осадочных пород появляются туфы и лавы базальтов
субщелочного и щелочного состава. Примерная мощность - до 1400 м. Сторожевская свита, залегающая на первой, мощностью не более 400 м, представлена тонкообломочными озерными песчаниками, туфодиатомитами, конгломератами с пластами игнимбритов и лав базальтов.
Две названные свиты маркируют заложение плиоцен-четвертичного вулканического пояса в Восточной вулканической зоне. Об их распространении под Карымской группой вулканов есть лишь косвенные данные. Разрезы обеих свит наблюдаются по периферии вулканотектонического купола в долине р. Жупанова; обломки пород этих свит выбрасываются при извержениях в виде ксенолитов и в районах кальдеры АН. С другой стороны, сторожевская свита в ее верхней части смыкается с комплексом плато и базальтовых щитовых вулканов, которые слагают пьедестал молодых вулканов Карымской группы, в частности, и под кальдерами Карымского и АН. Четвертичный вулканический комплекс в районах кальдер представлен преимущественно вулканическими образованиями: лавами, туфами, экструзиями, игнимбритами. Состав пород варьирует от базальтов до дацитов и риолитов.
Геологическое строение и тектоника района кальдеры АН связаны с многократной активизацией вулканического процесса. Морфоструктура района и наблюдаемый геологический разрез представляет собой комбинацию из трех разновозрастных телескопированных кальдер, вложенных одна в другую, и соответствующих им отложений, часто весьма похожих по фациальному и вещественному составу. Кальдера АН вложена в более древнюю кальдеру вулкана Однобокого, а та, в свою очередь, в еще более крупную кальдеру Половинка (рис. 1). По данным [4, 5, 10] наблюдаемый разрез в районах Карымского озера представляется следующим (снизу вверх).
1. Средний плейстоцен. Туфово-игнимбритовая толща и (или) ее вулканогенно-осадочные аналоги в палеокальдере Половинка. Мощность не менее 180-200 м.
2. Верхний плейстоцен. Стратовулканическая толща вулкана Однобокого, Базальты, андезитоба-зальты, андезиты; лавы и туфы. Неравномерная мощность, выклинивающиеся горизонты лав и туфов 100-500 м.
3. Конец верхнего плейстоцена - голоцен. Туфо-во-пемзовые пачки или их вулканогенно-осадочные аналоги в палеокальдере вулкана Однобокого. Мощность 150 м. Экструзивно-лавовые образования вулкана АН; андезиты, дациты до риолитодаци-тов. Мощность 100-450 м.
4. Голоцен - до настоящего времени. Пемзовые пачки вулканов Карымского и Академии Наук и их вулканогенно-осадочные аналоги в кальдерах. Шлако-лавовые образования ареальных базальтов, андезитобазальтов. Андезитобазальтовая пачка
шлаков (линза) кратера Токарева (1996 г.) и ее вул-каногенно-осадочный шлейф в Карымском озере. Мощность (локально) - до 50-70 м.
Все названные толщи (пачки) пород, за исключением 1, распространены локально; лавовые фации -преимущественно по радиусам вокруг вулканических жерл, а пирокластические - по долинам рек или другим понижениям рельефа; экструзии локализованы непосредственно над вулканическим каналом или вдоль разломов. Вулканогенно-осадочные озерные отложения маркируют кальдеры и палеокаль-деры. При кальдерных взрывах большая часть тех или иных названных отложений (вскрыша) дробится и выносится с ювенильными продуктами взрыва. Поэтому мало вероятно, что охарактеризованный разрез существует в полном виде где-либо под кальдерами (под озером). С другой стороны, можно предположить, что в районах кальдер мощности отдельных толщ (пачек) взрывного происхождения локально могут быть большими, чем средние. Названные особенности распространения пород были учтены при составлении разреза под двумя кальдерами (рис. 2), построенного по материалам, предоставленным Г.А. Карповым, В.А. Ермаковым и данным монографий [9, 17].
Для составления гидрогеологической модели разрез был схематизирован с выделением четырех основных элементов-слоев. В верхнем слое объединены четвертичные образования в
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.