Физико-химическая модель формирования активных газогидротерм Камчатки и Курильских островов

Диссертационная работа была направлена на исследование физико-
химических параметров, состава и особенностей функционирования
поверхностных разгрузок гидротермальных систем нескольких вулканов Курило-
Камчатской островной дуги: Мутновского, Эбеко и Головнина. На основе
фактических данных, собранных лично автором и при её участии, были сделаны
предположения о генезисе гидротерм и источниках химических элементов в их
составе. Термодинамическое моделирование, проведённое для типичных
сценариев взаимодействия вода/порода в приложении к магматическому флюиду и
вмещающим породам вулканической постройки, позволило объяснить процессы
формирования контрастных типов термальных источников и количественно
описать перераспределение химических элементов на пути подъёма флюида. С
помощью геофизического исследования термальных полей получена
геоэлектрическая зональность подповерхностного пространства, отражающая пути
миграции и фазовых превращений гидротермальных растворов. В совокупности,
результаты данной работы дали ответы на многие вопросы происхождения,
трансформации и функционирования термальных проявлений на активных
вулканах, но и поставили новые проблемы, решение которых будет осуществлено
при будущих исследованиях.
Спектр физико-химических параметров обсуждаемых термальных
источников изменяется по кислотности от ультракислых до слабощелочных вод, а
по окислительно-восстановительному потенциалу от слабовосстановленных до
сильноокисленных. Даже в пределах одной термальной площадки (Донное поле
влк. Мутновский, Северо-Мутновское фумарольное поле, борта оз. Кипящее в
кальдере Головнина) значения основных физико-химических параметров бывают
крайне изменчивы.
Анализ взаимодействия «гидротермальный раствор – вмещающая порода»
свидетельствует о сложном многоступенчатом процессе извлечения химических
элементов из пород разреза, неоднократном концентрировании некоторых из них и
повторном вовлечении в гидротермальный транспорт обогащенные фации
метасоматитов.
Методами малоглубинной геофизки для обсуждаемых объектов выявлены
четкие границы подповерхностных фазовых переходов. Пути миграции
магматогенных флюидов и, как следствие, фазовые переходы в них определяют
состав термальных растворов и фумарольных газов, которые фиксируются на
поверхности термальных полей. Ярким примером может служить Северо-
Восточное поле вулкана Эбеко. Гидротермальные объекты хорошо выделяются в
виде аномалий пониженного удельного сопротивления на картах распределения
УЭС до глубины нескольких метров. Для Северо-Восточного поля по данным
частотного зондирования выделяется коническая структура подводящих каналов,
которая указывает на близкое расположение гидротермального резервуара,
предположительно на глубине 5-8 метров. Эти данные подтверждаются
результатами электротомографии, где отчетливо видна структура резервуара,
питающего систему котлов и фумарол.
Таким образом, неизбежен вывод – генезис флюидов един, но пути миграции
делают каждый термальный источник уникальным. Объяснение такого рода
явлений следует искать в подповерхностных взаимодействиях флюид/порода и
изменениях состава растворов на геохимических барьерах. Для численного
описания возможности смены состава термальных растворов в ходе
взаимодействия с породами флюидопроводника применялось физико-химическое
моделирование, поскольку три обсуждаемых в работе вулкана в основном сложены
андезитами, то при моделировании использовались усредненные составы. Для
понимания возможностей изменения составов растворов в ходе взаимодействия с
породами постройки проведены термодинамические расчеты равновесия при
взаимодействии флюида с разным количеством андезита при разных температурах.
В результате формируются растворы от щелочных до ультракислых. Результаты
расчетов демонстрируют, что всего несколько грамм андезита, ВСТУПИВШЕГО в
реакцию, достаточно для нейтрализации ультракислых растворов. Температура
взаимодействия, безусловно, влияет на интенсивность процесса, но значение её не
определяющее.
Интересно отметить формирование растворов с отрицательными рН за счет
кипения. Их количество ограничивается десятыми долями процентов от общей
массы флюида, однако, при взаимодействии с породами такие растворы
предполагают совсем иной тип выщелачивания.
Второй механизм изменения состава флюидов – фазовые барьеры. Наиболее
интересный и обсуждаемый вопрос – пути насыщения термальных растворов
элементами, в том числе рудными. Была построена модель с проточными
реакторами, целью которой было выяснить различия в изменении состава флюидов
и пород в зависимости от фазового состава флюида.
Пути миграции магматогенных флюидов и, как следствие, фазовые переходы
в них определяют состав термальных растворов и фумарольных газов, которые
фиксируются на поверхности термальных полей. В зависимости от условий
миграции магматогенного флюида, отсутствия или наличия флюидоупоров, в
приповерхностном пространстве активных гидротермальных систем могут
формироваться различные эпитермальные месторождения, связанные не с
особенностями системы поставляющей флюид, а с фазовыми барьерами,
встречающимися на его пути.
Реакция с породой приводит к защелачиванию флюида и насыщению его
большинством компонентов. Важно подчеркнуть, что даже при больших
соотношениях вода/порода=20/1 на поверхность не будут подниматься кислые
растворы. Происходит перераспределение вещества в разрезе – выносимые из
нижней части элементы осаждаются выше и продолжают давать щелочную
реакцию термальным растворам. Несмотря на высокую минерализацию и
повышенное содержание всех макрокомпонентов, по микрокомпонентам растворы
не достигают содержаний, фиксирующихся в термальных источниках. Так
содержания хрома ниже на два порядка, никеля на три, а по магнию содержание
превышено на 2 порядка. Это в очередной раз подтверждает, что формирование
ультракислых термальных растворов невозможно при взаимодействии с
вмещающими породами. Для образования подобных терм необходимо наличие
высокопроницаемого химически инертного канала, по которому флюиды
поднимутся от приповерхностной магматической камеры до поверхности Земли.
Источником компонентов в случае с вулканом Мутновский могут быть более
глубинные камеры базитового или ультрабазитового состава.
Реальный разрез построек большинства вулканов Курило-Камчатского региона
под участками разгрузки активных гидротермальных систем не известен. Для
представленных моделей выбраны наиболее типичные для рассматриваемых
вулканов системы с промежуточной камерой расположенной на глубине около
2000 метров и являющейся источником тепла и магматических газов.
Вулканогенные породы, претерпевшие гидротермальные преобразования,
обладают специфическим комплексом петрофизических свойств. Поэтому
возникает проблема сопряженного описания динамики преобразований состава
пород и их петрофизических характеристик при воздействии на них потоков
магматогенных флюидов с меняющимся химическим и фазовым составом
(магматический газ, гидротермальный раствор или паро-газовая смесь).
Было оценено изменение химического и фазового состава флюида в
зависимости от наличия или отсутствия флюидоупора в различных частях разреза.
В основу теоретических построений положены фактические данные по
петрофизическим свойствам пород, как свежих, так и гидротермально измененных.
Важно подчеркнуть, что КАЖДАЯ разность вулканогенных пород имеет
собственные характеристики пористости и проницаемости (не всегда находящихся
в очевидной зависимости), от которых зависят особенности потока флюида на
разных этапах его эволюции. На основе разработанного автором подхода построен
ряд моделей основанных на фактических данных по различным вулканам, главной
особенностью которых является наличие промежуточной малоглубинной камеры,
являющейся источником тепла и магматических флюидов. В нескольких вариантах
разобраны особенности преобразования вулканогенных пород от структурных
особенностей флюидопроводника. Показано что именно строение
флюидопроводника определяет особенности флюидного потока, а соответственно
и зон преобладания газов или растворов в различных частях разреза
Высоко проницаемая плоская зона трещиноватости, рассекающая слоистый
разрез вулканогенных пород, имеет послойно меняющуюся пористость и
проницаемость. Результаты моделирования подтверждают, что в зависимости от
строения разреза будут формироваться совершенно различные типы вулкано-
гидротермальных систем со своеобразными проявлениями на поверхности. Для
каждого из вариантов на разных временах развития характерны свои профили
температуры и давления.
Наиболее яркие различия между типами систем видны в фазовом составе. В
зависимости от времени жизни системы и её структурных особенностей вдоль
разреза на различных уровнях будут формироваться несколько фазовых переходов,
а на поверхность будет выходить флюид разного химического и фазового состава.
По результатам термодинамических расчетов можно с уверенностью заключить,
что подъем на поверхность ультракислых термальных растворов должен проходить
без взаимодействия с вмещающими породами, по хорошо проработанным каналам.
В подповерхностном пространстве термальных полей фиксируются фазовые
барьеры которые, очевидно, не только способствуют смене химического состава
растворов, но и представляют собой зоны концентрации химических элементов, в
том числе, и рудных.
Строение флюидопроводника определяет проявление газо-гидротермальной
деятельности на поверхности и формирование геохимических аномалий внутри
вулкано-гидротермальных систем. Важной особенностью является возможность
формирования контрастных систем в пределах одной вулканической постройки.