ГЕОХИМИЯ, 2014, № 3, с. 267-279
ОСОБЕННОСТИ ХИМИЧЕСКОГО И ИЗОТОПНОГО СОСТАВА УГЛЕВОДОРОДНЫХ ГАЗОВ ВУЛКАНОВ МЕНДЕЛЕЕВА И ГОЛОВНИНА (О. КУНАШИР) © 2014 г. Р. Б. Шакиров
Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева Дальневосточного отделения РАН,
690041 Владивосток, ул. Балтийская, 43; e-mail: ren@poi.dvo.ru
Дальневосточный федеральный университет, кафедра нефтегазового дела и нефтехимии,
690091 Владивосток, ул. Суханова, 8 Поступила в редакцию 28.02.2012 г. Принята к печати 22.05.2012 г.
Представлены результаты анализа распределения углеводородных и других газов в пределах вулканов Менделеева и Головнина и других источников на о. Кунашир. Показано, что в сольфатарных и растворенных в термальных водах газах присутствуют не только метан, но также этан, пропан, бутан. Концентрация метана в газовых пробах не превышала 0.4 об. %. Приведен анализ изотопного состава углерода метана, этана и углекислого газа в свободной и растворенных фазах. Углеводородные газы о. Кунашир относятся к газам термогенного и метаморфогенного типов и их распределение зависит от близости источников к эруптивным центрам вулканов. Термогенные газы, вероятно, являются продуктом высокотемпературной переработки органического вещества осадков, захороненных при формировании вулканических построек. Приведены общие газогеохимические характеристики Курильских вулканов и выявлено усиление генерации углеводородов в осадках Курильской котловины при приближении к вулканическим аппаратам.
Ключевые слова: Курильские острова, вулканические газы, вулканы Менделеева и Головнина, метан, углеводородные газы.
DOI: 10.7868/S0016752514010063
ВВЕДЕНИЕ Вулканизм является наиболее ярким выражением планетарной дегазации. При этом из 500 действующих вулканов 85 находятся на Курильских островах и 39 из них — действующие [1]. Углеводородной составляющей вулканических газов всегда уделялось определенное внимание, но до недавнего времени исследования сдерживались недостатком высокоразрешающих аналитических приборов и методов. Несмотря на это, в России уже с 70-х года успешно развивается направление изотопной геохимии углерода в нефтегазовой геологии, изучены механизмы фракционирования изотопов углерода [2, 3]. Развитие современных хроматографических и масс-спектрометрических методов анализа расширило возможности газогеохимических и изотопно-газогеохимических исследований. Эти методы в современном развитии позволяют определять химический и изотопный составы предельных и непредельных углеводородных газов, представленных даже в наноконцентрациях не только в свободной фазе, но и в растворенной форме [4, 5]. Это, в свою очередь, дает возможность выяснить генезис углеводородных газов, что особенно важно для оценки роли глубинных флюидов в формировании углеводородных скоплений. Эти вопросы связаны также с широкомасштабной генерацией метана в подводных гидротермальных системах [6]. Характеристи-
ки распределения углеводородных газов фумароль-ных и термальных полей Курильской островной дуги, полученных предшественниками [7—10], позволяют сделать вывод, что углеводороды — неотъемлемая часть вулканических газов этого района. Углеводородные газы также обнаружены в основном в малых концентрациях и в других вулканических районах мира [11]. Глубоко исследуются геохимические процессы вулканических газов Камчатки и японских островов [12—16]. Все активнее применяются методы дистанционных измерений потоков вулканических газов (проекты ЭОЛ8 и РЕУБРБС), которые очень важны для мониторинга активности газовой эмиссии и интегральных оценок газовых потоков. Исследования газов подводных вулканов и гидротерм Японо-Курильской зоны субдукции также показывают наличие в них метана и углеводородных газов [16, 17]. В последние годы ведутся интенсивные исследования по влиянию гидротермальной и сольфатарной деятельности на формирование ландшафтов Курильских островов, в том числе о. Кунашир [18, 19].
Состав газов вулканических систем Курильских островов активно изучался в 70-е годы [7, 9, 10], в последующие десятилетия интенсивность этих исследований резко упала. Предшественниками установлено, что основными компонентами дегазации вулканов Курильских островов явля-
52° N
48° N
44° N
Рис.
тское море
9 о
К
ов Kai
п-ов Камчатка
. Парамушир
о. Шиашкотан
о. Симушир
о. Уруп
Итуруп шир
о
V
%
_130 -65 - 13
ICÖ2 O2
CH4 + УВГ
CO
:: h2s
SO2 ШС1 H2
144° N 148° N 152° N 156° N
1. Карта района работ и диаграммы распределения вулканических газов Курильской островной дуги по [7].
ются СО2, CO, H2, HCl, H2S, NH3, CH4, N2, HCNS, SiF4, B(OH)3, Ar и др. (рис. 1). Главным компонентом дефлюидизации вулканов являются пары воды (90—95%).
В общем случае из макрокомпонентов газов преобладает углекислый газ, затем в порядке уменьшения концентрации следуют сернистые газы и азот. На этом фоне резко выделяются источники преимущественно азотного и азотно-уг-лекислотного состава. По содержанию углеводородных газов резко выделяется остров Итуруп, где концентрации метана в сумме с углеводородными газами достигали 58%. Измерения, сделанные в прежние годы из различных источников о. Итуруп, подтверждают наличие здесь ураганных концентраций углеводородных газов [7]. Содержание СО2 в вулканических газах вулканов Курильских островов в среднем составляло 68%, кислорода 6.7%, азота 28%, углеводородных газов (в сумме) 4%, угарного газа 0.04%, сероводорода 3.9%, сернистого газа 0.8%, хлористого водорода 0.4%, водорода 1.1%, благородных газов (аргон, криптон, ксенон в сумме) 0.6%, гелия и неона в сумме не более 0.01%. Следует отметить, что средние значения приведены для представления лишь самой общей характеристики распределения газов Курильских вулканов. Более или менее равномерно распределены углекислый газ, сернистые газы, а целый ряд компонентов, таких как метан и
азот имеют очень контрастный характер распространения. Содержание водорода в отдельных случаях также достигало ураганных значений (39%, влк. Черный, о. Чирпой). Кислород в целом распределен равномерно и в норме не превышает одного процента. Всплески концентраций этого газа обычно связаны с захватом атмосферного воздуха при отборе проб. На некоторых островах зафиксированы аномально высокие содержания азота до 99% (о. Итуруп, о. Кунашир) при концентрациях кислорода близких к нулю. Примечательно, что на этих островах и в тех же объектах (о. Итуруп: ист. Горячий, Сернозаводский, Рей-довский; о. Кунашир: ист. Третьяковский, ист. Верхне-Столбовской, месторождение парогидро-терм "Горячий Пляж") предшественниками отмечены также максимальные концентрации метана [7]. Так, в Рейдовском источнике содержание азота составляло 52.6—80.5% при содержании метана 7.4—13.3%, в источнике Горячий Ключ 28.3 и 57.73%, а на о. Кунашир в источнике на участке "Горячий пляж" 64.98 и 21.17% соответственно. В регионе подобная взаимосвязь уже отмечалась. Например, наблюдения за вариациями химического состава газов Южно-Сахалинского грязевого вулкана (о. Сахалин) выявили увеличение содержания углеводородных газов и азота на фоне снижения концентраций углекислого газа под влиянием Невельского землетрясения 2007 г. [20].
Также японскими исследователями установлено, что в фумарольных газах водородного типа концентрации метана невелики от 1.0 до 1.2 х 10-4%, в то время как в газах азотного типа концентрации метана увеличивались: от 1.2 х 10-4 до 6.4 х 10-2% [21]. При этом газы, содержащие метан в значениях от 1.9 х 10-3 до 6.4 х 10-1% отнесены ими к метановым фумарольным газам. Приводятся данные, что в фу-маролах затухающих вулканов Менделеева, Головнина и других с температурами 60—115°С содержание углеводородных газов достигало 22 об. %, но большей частью не превышало 0.005 об. % [10]. Здесь же показано, что они были представлены метаном, но отмечались и тяжелые углеводородные газы. Позже было подтверждено, что в фума-рольных газах вулкана Менделеева содержится метан, но в меньших количествах 0.0003% [17]. Этими же исследованиями установлены достаточно высокие концентрации метана 800 нл/л в горячих водотоках в пределах фумарольных полей и ручья Кислого (при фоновых концентрациях 30—60 нл/л), также обнаружены этан (до 40 нл/л) и этилен (100 нл/л).
Большинство вулканов Курильской островной дуги характеризуются фумарольно-сольфатарной стадией вулканической деятельности; при этом целевые объекты представляемой работы вулканы Менделеева и Головнина переживают стадию затухающей переходной пост-вулканической деятельности — сольфатарно-мофетную [9]. Эти вулканы были выбраны для исследований, потому что в пределах их построек и рядом с ними распространены как активно газирующие сольфата-ры (высокотемпературные, от + 100°С и выше), так и газоводяные и термоминеральные источники с температурой ниже точки кипения воды (газы находятся преимущественно в растворенной форме), в том числе контролируемые отдельными от вулканов разломами. Курильская вулканическая дуга — одна из самых активных систем проницаемости, по которой в атмосферу выбрасывается сложная газовая смесь. Изучение этого явления является актуальной задачей как фундаментальных, так и экологических исследований. Цель данной работы: исследование распределения свободных и растворенных углеводородных газов вулканов Менделеева и Головнина с применением современных методов газовой хроматографии и масс-спектрометрии.
КРАТКАЯ ГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАЙОНА РАБОТ
Остров Кунашир самый южный остров в Большой Курильской гряде. Длина его с северо-востока на юго-запад около 122 км, ширина до 30 км, наименьшая около 4 км. На острове известны вулканические постройки, проявляющие газогидротермальную активность: вулканы Головни-на, Менделеева и Руруй (рис. 2). Газо-гидротер-мальная активность связана с кайнозойским ан-дезитовым вулканическим комплексом [22, 23] и
представлена термальными источниками, парогазовыми струями, грязевыми котлами, сольфа-тарами и мофеттами. Геохимические параметры по составу термальных вод о. Кунашир подробно исследовались О.В. Чудаевым в 2001—2003 гг. [24]. Данными исследованиями установлена
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.