ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2009, № 5, с. 3-23
УДК 551.21
ОЦЕНКА ТЕПЛА, НАКОПЛЕННОГО МАГМАТИЧЕСКИМ ОЧАГОМ ВУЛКАНА ЭЛЬБРУС ВО ВМЕЩАЮЩИХ ЕГО ПОРОДАХ, И ВОЗМОЖНОСТИ ЕГО ИЗВЛЕЧЕНИЯ
© 2009 г. И. С. Уткин1, С. А. Федотов1' 2, Л. И. Уткина1
1Институт физики Земли РАН, Москва, 123995 2Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН, Петропавловск-Камчатский, 683006
Поступила в редакцию 08.04.2009 г.
Проведен анализ результатов геологических и геофизических исследований о наличии не застывшего магматического очага под вулканом Эльбрус на Кавказе, глубине его залегания и примерных размерах. Даются верхняя и нижняя грани оценок запасов тепла вмещающих горных пород, нагретых магматическим очагом вулкана с момента его возникновения до настоящего времени, с учетом изменений размеров магматического очага в процессе его эволюции и накопления им тепла. Проанализированы геолого-геофизические предпосылки использования тепловой энергии нагретых пород, вмещающих магматический очаг вулкана Эльбрус.
ВВЕДЕНИЕ
Эльбрус - самая высокая вершина и самый крупный вулкан в Европе. Его западная и восточная вершины, находящиеся на расстоянии около 1430 м, достигают высоты 5643 и 5620 м соответственно. Вулканическая постройка Эльбруса, представляющая полигенный стратовулкан, расположенный на северном склоне Главного хребта Большого Кавказа, приурочена к месту пересечения Сылтранской разломной зоны с поперечным Эльбрусским разломом и лежит на древних кристаллических породах, образующих гранитный блок. Диаметр основания вулкана в плане составляет 17-18 км, а его площадь 235-240 км2. Обе вершины вулкана и их общий конус вулканической постройки лежит в кальдере обрушения площадью 230 км2, практически совпадающей с площадью основания вулкана [13]. Описанные ниже геологические и геофизические исследования последних лет позволяют судить о наличии не застывшего периферического магматического очага под вулканом Эльбрус. Проточные, долгоживущие магматические очаги, имеющие объемы в сотни кубических километров, к которым, как показано ниже, относится неглубокий периферический магматический очаг вулкана Эльбрус, могут нагревать окружающие их породы в течение сотен тыс. лет и являются крупными накопителями подземного тепла [34-36]. Исчерпание запасов углеводородного сырья, рост его стоимости вызывает необходимость поиска, быстрого освоения и использования альтернативных источников энергии. В данной работе впервые рассматриваются теоретические вопросы оценки ресурсов подземного тепла, накопленного периферическим магматическим очагом вулкана Эльбрус во вмещающих его породах, рассчитывается верх-
няя и нижняя грань оценки накопленного тепла, анализируются предпосылки возможности его извлечения, предлагается новый метод оценки объема вулканической постройки, необходимый для расчета накопленного очагом тепла. Ставится вопрос о предпосылках и возможностях извлечения накопленного тепла из сухих горных пород (Hot dry rock technology) [43].
1. ГЕОФИЗИЧЕСКИЕ ДАННЫЕ О СУЩЕСТВОВАНИИ АНОМАЛЬНЫХ ЗОН, СОДЕРЖАЩИХ МАГМАТИЧЕСКИЕ ОЧАГИ ПОД ВУЛКАНОМ ЭЛЬБРУС
Первые результаты, указывающие на наличие аномальных по геофизическим данным зон, получены М.В. Авдуловым в 1962 г. [2] и подтверждены им в 1993 г. [3]. Им были обнаружены области под вулканической постройкой Эльбруса, соответствующие гравитационным минимумам и соответственно обладающие аномально низкой плотностью. Исследования аномальных зон под Эльбрусом проводились также методами пассивного сейсмического зондирования с использованием микросейсмического фона. Первые результаты в этом направлении были получены в 1984 г. Н.И. Хитаровым и др. [38]. Ими были зарегистрированы интенсивные поверхностные волны. При этом отмечалась аномально низкая частота колебаний порядка 2 Гц, что свидетельствовало о наличии аномальной зоны на небольшой глубине. Аналогичные результаты позже были получены в 2001 г. Л.Е. Собисевичем и др. [27, 28]. Тем не менее, все приведенные выше результаты не давали достаточно определенных представлений о глубине залегания, размерах и форме аномальных зон. Кроме того, в этих работах не было
указаний на то, чем заполнены эти зоны, какова их внутренняя структура, какая часть объема зоны заполнена магмой. Не была оценена температура и плотность теплового потока в аномальных зонах. В этом отношении представляется важной работа Ю.П. Масуренкова 1971 г. [19]. В ней показано, что геотермический градиент под вулканом Эльбрус достигает 100°С/км при плотности теплового потока около 2 Вт/м2, что существенно превышает фоновый показатель для Центрального Кавказа.
Не менее важно, что метод измерения плотности теплового потока открывает возможность оценки размеров и формы источника тепла при известной глубине его залегания. Для этого необходимо замерить плотность теплового потока в десятках неглубоких скважин на вулканической постройке и решить обратную задачу теплопроводности с учетом конфигурации реального рельефа местности. На время публикации [19], позднее и до настоящего времени этого сделано не было.
2. ОПИСАНИЕ ПЕРИОДОВ ВУЛКАНИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ И ОБСТОЯТЕЛЬСТВ ОБРАЗОВАНИЯ ВУЛКАНА ЭЛЬБРУС, ВАЖНЫХ ДЛЯ ПОНИМАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЭВОЛЮЦИИ ЕГО СОВРЕМЕННОГО ПЕРИФЕРИЧЕСКОГО МАГМАТИЧЕСКОГО ОЧАГА
Начало изученного периода вулканической деятельности вулкана Эльбрус относят к концу позднего плиоцена. Историю его развития разделяют на три периода: докальдерный, кальдерный и пост-кальдерный [13, 39]. Образование кальдеры вулкана произошло по уточненным данным около 800 тыс. лет тому назад [13]. Периферический магматический очаг вулкана Эльбрус до образования кальдеры, судя по ее размерам, мог иметь диаметр около 16-18 км. На период, предшествовавший образованию кальдеры, и непосредственно после ее образования, в изверженных продуктах преобладали игнимбриты и ассоциирующиеся с ними туфы, что говорит о возможности преимущественно эксплозивного характера извержений того периода. Изверженные продукты того времени в большей своей части могли быть унесены ветрами во время эксплозивных извержений и в меньшей части подвергнуты эрозии и смыты осадками, стерты ледниками в последующий период длительного затишья (550 тыс. лет) вулканической активности. Таким образом, значительный объем изверженных продуктов по всей вероятности находится за пределами вулканической постройки. В таком случае изверженные продукты докальдерного и каль-дерного периода могли составить, как будет показано ниже, лишь небольшую часть - около одной пятой объема ее современной постройки. К сожа-
лению, данных о количестве изверженных вулканом в докальдерный период продуктов в литературе мы не находим. Наиболее полные систематизированные данные о количестве изверженных вулканитов в посткальдерный период, представлены в [44]. Материалы, выложенные на сайте [44], хорошо систематизированы, охватывают весь период деятельности вулкана. Приведенные там материалы для посткальдерного цикла вулканической активности в большей своей части подтверждаются публикациями [6-10, 16, 17]. Интервалы времени вулканической активности Эльбруса, взятые нами из ЭПР (электронный парамагнитный резонанс) датировки в интервале времен 250 -50 тыс. лет до нашего времени (тыс. лет до н. в.), значительно более точны и достоверны, чем данные других методов геохронологии, таких как калий-аргоновый, аргон-аргоновый или иониевый [6]. Результаты сравнительного анализа данных по количеству и составу изверженных продуктов вулкана взяты в основном из литературных источников [16, 27, 44] и представлены в табл. 1.
Образование кальдеры не могло не повлиять на значительное уменьшение объема магматического очага вулкана, заполненного магмой. Именно это могло привести к периоду длительного затишья в активности вулкана - 550 тыс. лет [6, 9], наступившего через короткое время после образования кальдеры. Как показывают расчеты, за время паузы затишья имевшийся магматический очаг кальдерного периода диаметром 17 км должен был застыть примерно за 70 тыс. лет до начала следующего периода вулканической активности. Новый период вулканической активности начался примерно 225 тыс. лет до н.в. В период от 225 до 180 тыс. лет до н.в. деятельность вулкана была наиболее интенсивной за весь посткальдерный период. Именно в этот период интенсивность вулканической деятельности, средний расход извергнутых продуктов и их количество, по данным С.Н. Бубнова, примерно в 4 раза превышало те же показатели за период от 12 тыс. лет до н.в. и до нашего времени [16]. Если в соответствии с данными табл. 1 количество изверженных продуктов в период с 12 тыс. лет до н.в. и до нашего времени принять 30 км3 , то количество изверженных материалов за период от 225 до 180 тыс. лет до н.в. должно было составлять 120 км3. Однако в табл. 1, в соответствии с [44], указано почти в три раза меньше - 45 км3. Если количество извергнутых продуктов в период от 225 до 180 тыс. лет до н.в. соответствует, как указано в [44] и табл. 1 - 45 км3, то магматический очаг должен был неизбежно застыть в период с 180 до 130 тыс. лет до н.в. Это подтверждают расчеты, описанные ниже. По данным геофизических исследований магматический очаг вулкана Эльбрус в указанный период времени не застывал. Об этом говорят горизонтальные разрезы магматического очага Эльбрус, например, по представлениям В.В. Спичака [29]. Нами принято компромисс-
Таблица 1. Данные по количеству и составу изверженных продуктов вулкана Эльбрус в различные периоды формирования его вулканической постройки
Периоды вулканической активности [6], тысячи лет до нашего времени Изверженные продукты Объем изверженных продуктов по литературным данным, км3
[44] [16]
до 790 ингибриты, туфы, вул- 75 10
канический пепел
225-180 андезито-дациты 45 25
130-60 смешение базальтовых 30
и андезито-базальто-
вых расплавов, имею-
щих мантийный источ-
ник, с кислым риолит-
дацитовым коровым
расплавом
35-11 андезито-дациты и да- 10
циты
11 - наше потоки вязких андези- 30 6
время тодацитовых, дацито-
вых и липарит-дацито-
вых лав
Объемы изверженных продуктов, принятых в
ра
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.