ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2014, № 1, с. 20-37
УДК 553.078.2+624.131.4
ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭФФУЗИВНЫХ ПОРОД ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ КИСЛОТНОГО ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ
ПОВЕРХНОСТНЫМИ ТЕРМАЛЬНЫМИ ВОДАМИ (ГЕОТЕРМАЛЬНАЯ СИСТЕМА БАРАНСКОГО, О-В ИТУРУП) © 2014 г. В. М. Ладыгин, Ю. В. Фролова, С. Н. Рычагов1
Геологический факультет МГУ им. М.В. Ломоносова 119234 Москва, Ленинские горы, e-mail: skalka@geol.msu.ru Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН 683006Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, e-mail: rychsn@kscnet.ru Поступила в редакцию 20.02.2012 г.
Рассмотрены закономерности преобразования эффузивных пород вулкана Баранского (центральная часть о-ва Итуруп) под влиянием сульфатно-хлоридных кислых и ультракислых вод термального ручья Кипящая Речка. Получены данные об изменении их химического и минерального состава, структурных особенностей, пористости и петрофизических свойств. Описаны динамика процесса выщелачивания и стадии преобразования пород в проточной кислой (ультракислой) геотермальной среде. Отмечается, что механизм сернокислотного выщелачивания пород на дневной поверхности может быть во многом аналогичен процессу образования вторичных кварцитов (монокварцитов) в зонах восходящих потоков кислых газов над малыми интрузиями габбродиоритов — диоритов.
DOI: 10.7868/S0203030614010039
ВВЕДЕНИЕ
В пределах современных гидротермальных (геотермальных) систем областей четвертичного вулканизма происходит активное преобразование горных пород. Под воздействием термальных вод первичные компоненты вулканических пород — стекло, полевые шпаты, темноцветные минералы выщелачиваются и замещаются вторичными минералами, более устойчивыми в условиях изменившихся температуры, давления и состава гидротермального раствора. Одним из гидротер-мально-метасоматических процессов является сернокислотное выщелачивание пород, которое обычно происходит в приповерхностной зоне высокотемпературных гидротермальных систем под влиянием восходящих кислых (ультракислых) сульфатных и сульфатно-хлоридных вод с температурой <100°С. Сернокислотное выщелачивание и образование пород фации опалитов — явление широко распространенное и хорошо изученное с точки зрения понимания минеральных преобразований [Ерощев-Шак, 1992; Карпов, 1991; Коржинский, 1955; Коробов, 1994; Лебедев, 1979; Метасоматизм ..., 1998; Набоко и др., 1965; Русинов, 1989; Reyes, 1990]. Известно, что основными новообразованиями зоны сернокислотного выщелачивания являются минералы кремнезема (опал, тридимит, кристобалит, халцедон, кварц), сульфаты (гипс, барит, алунит, ярозит), глинистые минералы (каолинит, галлуазит), самород-
ная сера, гидрооксиды железа и алюминия. Но обычно отмечаются конечные продукты этого процесса в целом или для каждой стадии сернокислотного выщелачивания, тогда как динамика изменения породы (вынос/привнос химических элементов, этапы формирования минерального состава, пористости, структуры порового пространства и петрофизических свойств пород) изучена недостаточно.
В основу настоящей работы положены результаты исследования аллювия ручья Кипящая Речка, берущего начало на склоне действующего ан-дезитового вулкана Баранского (центральная часть о-ва Итуруп) и пересекающего геотермальную систему с одноименным названием. В ходе комплексных геолого-геохимических исследований системы [Коробов, 1994; Ладыгин, Рычагов, 1995; Рычагов, 1993; Рычагов и др., 1993] авторы обратили внимание на формирование четко выраженной зональности в валунах и гальке аллювия термального ручья в виде желтых, светло-серых и более темных концентрических полос мощностью от миллиметров до нескольких сантиметров. Было установлено, что это явление характерно только для образцов пород, находящихся в проточной кислой среде (в ручье ниже очагов разгрузки источников с ультракислыми сульфатными и сульфатно-хлоридными термальными водами — Голубые озера и Кипящие). Таким образом, природа сама провела эксперимент, который
позволяет решать ряд вопросов, традиционно имеющих большое научное и практическое значение при изучении каждой геотермальной системы: каковы характер и направленность гидротермальных изменений пород в зонах активной циркуляции гидротермальных растворов, можно ли количественно оценить интенсивность преобразования пород в проточной кислой среде, каковы механизмы формирования метасоматической зональности в таких условиях, возможна ли оценка скорости преобразования пород в естественном залегании. Сразу отметим, что последний вопрос остался на стадии постановки проблемы и в статье не рассматривается.
Цель настоящей работы состояла в выявлении закономерностей изменения состава, структуры и свойств эффузивных пород под влиянием проточных кислых (до ультракислых) термальных вод; исследовании механизмов формирования метасоматической зональности при сернокислотном выщелачивании горных пород.
ГЕОЛОГИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ
В центральной части острова Итуруп на Южных Курилах находится действующий андезито-вый вулкан Баранского, входящий в структуру вулканического хребта Иван Грозный. К северозападному склону и подножию вулкана приурочена одноименная гидротермальная система, в центральной части которой выделено геотермальное месторождение Океанское [Пчелкин, 1988]. Система является высокотемпературной и находится на прогрессивной галоидно-сульфатно-углекислотной стадии развития [Рычагов, 1993]. Основание геологического разреза сложено псе-фо-псаммитовыми и агломератовыми туфами и лавами андезитов парусной свиты неогенового возраста. Их прорывают диориты — габбро-диориты; предполагается, что субвулканические тела этих пород связаны с глубинным магматическим очагом и обеспечивают тепловое питание гидротермальной системы. Водовмещающая толща представлена мелко-грубообломочными туффи-тами, туфами и лавами андезитов лебединской свиты нижнечетвертичного возраста, залегающими на породах парусной свиты без видимого углового несогласия. Эти породы хорошо проницаемы для термальных вод, под действием которых сформировалась гидротермально-метасоматиче-ская зональность, типичная для геотермальных систем прогрессивного этапа развития. В разрезе снизу вверх сформированы: вторичные кварциты (гранат-кварцевая, монокварцевая и мусковит-серицит-кварцевая минеральные ассоциации), среднетемпературные пропилиты (эпидот-кварц-кальцит-хлоритовая ассоциация), низкотемпературные пропилиты (вайракит-кальцитовая, ло-монтит-кварцевая, пренит-кальцитовая, кварц-
хлорит-кальцитовая ассоциации), аргиллизиты (кварц-хлорит-смектиты) и опалиты [Коробов, 1994; Рычагов и др., 1993]. Зоны отличаются характером переработки материнских пород и пет-рофизическими свойствами [Ладыгин, Рычагов, 1995; Фролова и др., 1999; Ladygin й а1., 2000]. Опалитовая зона является приповерхностной и образована под действием сернокислотного выщелачивания, мощность ее составляет десятки метров, а в зонах разломов достигает 200 м.
Наиболее интенсивные преобразования пород — до гидротермальных глин и моноопалитов — происходят на термальных полях вокруг кипящих источников, грязевых котлов, паровых струй, на парящих площадках. Несколько групп источников термальных вод дают начало ручью Кипящая Речка. Ручей имеет длину 1.4 км, течет в неглубокой долине, выполненной грубообломочными вулканогенными отложениями, и впадает в р. Серную. Основные особенности гидрохимии ручья определяются водой источников Кипящие и Голубые озера. Температура воды источников составляет 81— 95°С (до 98°С), общая минерализация от 1.9 до 5.8 г/л, рН от 0.7 до 1.7, ЕЙ от +200 до +590 мВ, состав сульфатный и сульфатно-хлоридный с высоким содержанием № и К [Знаменский, Никитина, 1985]. Источники бурлят от выходов свободных газов: сероводорода, метана, водорода, углекислого газа и азота; флюоресцируют от большого количества в воде самородной мелкодисперсной серы. Состав воды в ручье формируется в результате смешения термальных вод этих и расположенных ниже по течению других групп источников (Водопадные, Котел, Нижние, Устьевые, Скрытые) с холодными метеорными водами. Воды ручья остаются кислыми вследствие большого суммарного дебита источников (ориентировочно >100 л/с). На устье ручья его дебит составляет 200 л/с, температура воды 30—32°С. С водой ручья ежесуточно выносится около 60 т растворенного вещества, в том числе примерно 15 т серной кислоты [Знаменский, Никитина, 1985].
В верховьях русла ручья Кипящая Речка обнаружено большое количество крупных полуокатанных и окатанных обломков (до 10—20 см) эффузивных пород от андезибазальтового до анде-зидацитового состава. При раскалывании валуны и галька пород обнаруживают четко выраженное зональное строение, подчеркнутое последовательным, в виде нескольких полос, изменением цвета породы от темно-серого до белого (рис. 1а; образцы А-4, Б-8, С-2, Л-1). В некоторых образцах наблюдается зона с ярко выраженным оже-лезнением, придающим породе желтую, рыжую, бурую окраску (образцы В-6, В-2). Замечено, что практически все валуны эффузивных пород, находящиеся в русле ручья, в той или иной мере подвержены процессам геохимической переработки. Встречаются как слабо переработанные, с
едва намечающимися 1—2 зонами изменений, так и полностью измененные, белые, рыхлые, сильно пористые породы.
Для исследований были отобраны наиболее типичные образцы валунов и гальки с наибольшим количеством зон изменения. Обломки находились ниже по ручью от места разгрузки термальных источников на расстоянии 100—200 м. В каждом из образцов от центральной части к внешнему краю по цвету и текстурным особенностям выделяется от 3 до 5 зон шириной 1—3 см, разделенных четкими границами. Центральные части образцов сохраняют темный цвет, краевые зоны в различной степени осветлены. Границы зон концентрически зональные, часто причудливо изогнуты. Концентрическая зональность нарушается трещинами, по которым изменения проникают в центр образца (см. рис. 1б). Некоторые предварительные результаты были получены ранее и приведены в работе [Frolova et al., 2001].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Для детальных лабораторных исследований отобрано 6 образцов, представленных валунами, сложенными эффузивами андезибазал
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.