научная статья по теме ПРОИСХОЖДЕНИЕ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД ВУЛКАНИЧЕСКИХ ОБЛАСТЕЙ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ПРОИСХОЖДЕНИЕ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД ВУЛКАНИЧЕСКИХ ОБЛАСТЕЙ»

ВУЛКАНОЛОГИЯ И СЕЙСМОЛОГИЯ, 2014, № 6, с. 44-58

УДК 550.2550.42551.23556

ПРОИСХОЖДЕНИЕ ТЕРМАЛЬНЫХ ВОД ВУЛКАНИЧЕСКИХ ОБЛАСТЕЙ

© 2014 г. Г. И. Арсанова

Институт вулканологии и сейсмологии ДВО РАН 683006Петропавловск-Камчатский, бульвар Пийпа, 9, e-mail: agi888@list.ru Поступила в редакцию: 25.08.2012 г.

Исследуется природа источников тепла и вещества гидротерм вулканических регионов: являются ли они разными (и тогда гидротермы — это нагретые метеорные воды) или источник тепла и вещества — общий (и тогда гидротермы имеют в составе теплоноситель, или флюид). Выводы получены на основе комплексного подхода к проблеме с учетом баланса вод Земли, связи воды и вулканизма на планетах земного типа, закономерностей формирования состава гидротерм, выявленных на основе Камчатского материала с привлечением данных по выносу тепла. Согласно выводам источником, как тепла, так и вещества гидротерм является мантийный флюид. Гидротермы представлены либо им самим, либо продуктами его рассеяния. Но прежде этот флюид выступает инициатором кислого вулканизма, который предваряет гидротермальный процесс. Места дифференциации флюида в коре перспективны как участки гидротермального минерало- и рудообразования. Работа представляет интерес для геологов, изучающих воду как действующее вещество высокотемпературных процессов.

DOI: 10.7868/S0203030614060029

Происхождение глубинных термальных вод вулканических регионов остается предметом дискуссий уже порядка века: образуются ли они в результате нагрева метеорных вод или представляют собой вулканическое вещество? Следствия из этих концепций — принципиально различны и затрагивают основополагающие взгляды геологов на роль воды.

Использование отдельных показателей эндо-генности вещества по разным причинам не позволяет решить эту проблему. Очевидна необходимость системного подхода с одновременным комплексным учетом разных критериев. Настоящая работа представляет собой такую попытку.

Работа опирается на фактический материал по Камчатке, где было изучено более сотни проб вод, пара, конденсатов фумарол, пород и т.п., в которых определялись пять щелочных элементов и компоненты общесолевого состава. Привлекались материалы из смежных дисциплин.

В основу исследований положен диалектический подход, с его дедуктивным и индуктивным методами. Рационально начинать исследование с дедукции: метод позволит получить самую общую характеристику исследуемого объекта — гидротерм, которая затем будет детализирована индуктивным методом.

ТЕРМАЛЬНАЯ ВОДА ЗЕМЛИ КАК ОДНОЙ ИЗ ПЛАНЕТ КАМЕННОЙ ГРУППЫ

Земля одна из каменных планет Солнечной системы, поэтому общие закономерности истории воды Земли должны быть сходны с таковыми на других планетах каменной (земной) группы. Ранее В.И. Вернадский говорил о возможности изучения космических объектов для понимания земных процессов. Современная информация о воде каменных планет, как экспериментально зафиксированные данные, стала доступна благодаря полетам космических зондов.

Меркурий. В 1974 г. впервые вблизи Меркурия пролетал аппарат NASA Mariner 10, который сделал снимки планеты с малого расстояния. Кроме многочисленных кратеров, камеры показали поверхность с характерными складками усыхания "эскарпами" [Zuber, 2004]. Зимой 2010 г. к исследованию приступил Messenger (NASA). Активного вулканизма не увидели, но часть кратеров признана вулканическими, а часть поверхностей лавовыми потоками. Спектрометры Messenger не зафиксировали ни воды, ни ее компонентов. Возможно, лед скрыт в тени у полюсов. Меркурий окончательно "высох", но воду ранее имел [Brown, Buckley, 2010].

Венера. Вода была обнаружена в атмосфере в количестве не выше 0.5% [Маров, 2010]. Позже на основании данных детектора космической плазмы и высокоэнергетичных атомов на борту кос-

мического зонда Venus Express (ESA) вода была зафиксирована в экзосфере Венеры в ионизированном виде, причем ионы активно выдуваются солнечным ветром [Piccionil et al., 2008]. На каждый покидающий Венеру ион кислорода приходятся два иона водорода, что свидетельствует об их образовании в ходе диссоциации молекул воды, поступающих из атмосферы. Полагают, что в прошлом на планете были океаны и активный вулканизм [Титов и др., 2009; Berardelli, 2010].

Марс. Относительно воды на Марсе было много различных предположений до получения информации космическим зондом Mars Express (ESA). Радиолокационный прибор обнаружил лед в верхних слоях Марса, прибор для картографирования залежей полезных ископаемых — химические соединения, которые могли возникнуть только во влажной среде, а камера аппарата показала геоморфологические следы текучих вод. Марсоходы Spirit, Opportunity и Phoenix, а также аппарат Mars Global Surveyor (NASA) обнаружили обширные скопления льда под поверхностью Марса: жидкая вода существовала на поверхности в течение геологически существенного времени и исчезла недавно [Fairén, 2010]. Видны щитовые вулканы и геоморфологические следы грязевых вулканов [Berardelli, 2010]. Современного вулканизма не выявлено.

Таким образом, на всех планетах земного типа есть следы воды и вулканизма, но ныне нет открытых вод на поверхности, и уже прекратилась вулканическая активность.

Согласно общим представлениям, вода на поверхности каменной планеты может быть, как эндогенной, так и принесенной извне. Есть предположение, что вода поступала на планеты в период их интенсивной бомбардировки, которую планеты пережили на заре формирования Солнечной системы примерно 3.8—3.9 млрд лет назад. Согласно расчетам М. Марова [2005] таким путем могло быть перемещено ~2 х 1024 г воды Земли, что в 1.5 раза больше воды современного Мирового океана (~1.4 х 1024 г). Но поскольку существует солнечный ветер вода с поверхности одновременно и постоянно теряется в космос. Рассчитать эти потери трудно, но они значительны. Фотолитические потери воды современной Землей оцениваются в 2.58 х 1024 г [Орленок, 1987]. Поэтому, если бы вода, перемещенная около 4 млрд лет назад, оставалась на поверхности планеты, она была бы вся или в значительной мере унесена солнечным ветром.

Расчеты современного кометного трансферта показали, что для Земли таким путем можно

обеспечить не более 0.1—1% ее воды. Не в пользу метеоритной доставки воды на планеты свидетельствует и то обстоятельство, что ныне поверхностная вода отсутствует на Марсе, Венере, Меркурии, которые при таком механизме постоянно могли бы ее получать. Остается принять, что вода или вещества для ее синтеза должны находиться под поверхностью в теле планет уже на раннем этапе их возникновения. Иначе трудно объяснить появление и исчезновение воды с поверхности каменных планет земного типа в определенное время их эволюции.

Вместе с наблюдением следов присутствия воды на этих планетах фиксируются и следы недавнего вулканизма. Согласно расчетам начальной температуры одной из представителей планет каменной группы — Земли, она никогда не была полностью расплавленной. Недра становятся горячими в процессе ее роста [Рускол, 2002]. Вулканизм возникает как способ выноса сквозь кору на поверхность горячего вещества недр — магм и летучих. После прекращения вулканизма следы одной жидкости — лав — долго наблюдаются на поверхности планеты, а другая — в основном водная — со временем испаряется в атмосферу, ионизируется и исчезает.

Планета Земля отличается от трех планет земной группы наличием большого количества воды на поверхности, активным вулканизмом и мощным дипольным магнитным полем, которое окружает планету и препятствует уносу воды, но не полностью его блокируют. Меркурий имеет очень слабое дипольное магнитное поле, а ди-польная составляющая Венеры и Марса теряется на фоне структур магнитного поля. Магнитосфера Земли сдерживает потерю воды с поверхности, но подобно другим планетам, Земля со временем свою воду потеряет. Доказательства этого были найдены непосредственно на поверхности Земли В. Орленком [1987, 2008]. Была подмечена связь воды с явлениями вулканизма, оценены потери воды как следствие ее фотолиза в верхних слоях атмосферы, рассчитан баланс вод Земли с новыми составляющими: потерями воды Землей в космос и поступлением на поверхность внутрипланетар-ной (термин В. Орленка) воды. Ежегодные поступления ювенильной воды составляют 0.6—1.0 мм по уровню океана или 37 куб. км по объему. Вода на поверхность Земли ныне еще прибывает. Она поступает с магмами вулканов [Мархинин, 1980], и не менее половины как свободная вода.

Круговорот вод Земли, согласно данным В. Орленка и по наблюдениям каменных планет, оказался открытым. Осознание этого факта очень важно. Вода Земли, как и вода других каменных

планет, подобна реке, которая поступает из недр, разливается по поверхности планеты и уходит в космос, причем в свое время покинет планету совсем. Рециклинги существуют как водовороты разных масштабов в ее "русле". Такая модель представляется более корректной, так как включает направленное развитие земных вод, а не только их круговое движение.

Таким образом, на Земле, как на планете каменной (земной) группы, появление воды совмещено с вулканизмом. Ее количество определяется дегазацией планетных недр (поступление), фото-литическими потерями в космос (убыль) и существованием сильной магнитосферы (задержка убыли). Следовательно, на Земле должны быть выходы ювенильных вод и их можно найти.

ЮВЕНИЛЬНАЯ ВУЛКАНИЧЕСКАЯ ВОДА ЗЕМЛИ

Изложенное выше позволяет предсказать некоторые характеристики ювенильной воды, которые помогут ее найти: вода должна быть горячей, разгружаться в районах активного вулканизма и быть приуроченной к глубинным структурам. Априори следует допустить возможность поливариантности ювенильной воды планеты. Но более вероятным представляется однозначность ее характеристик, так как причины формирования определяются глубинными планетарными процессами. Видимые различия, вероятней всего, будут следствиями ее изменений в коре.

В регионах активного вулканизма известен тип гидротерм с максимальным выносом тепла. На Камчатке это воды Долины Гейзеров, Паужет-ские термы; в Северной Америке — гейзеры Йел-лоустонского Национального парка; в Ново

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.

Показать целиком