Автор: Бочарников Роман Евгеньевич
Название работы: Физико-химические аспекты магматической дегазации на вулкане Кудрявый, Курильские острова
|
Присвоенная ученая степень: кандидат геолого-минералогических наук
Специальность: -
Классификационный индекс:
Ведущая организация: Институт экспериментальной минералогии РАН
Руководитель:
доктор геолого-минералогических наук К.И. Шмулович;
кандидат геолого-минералогических наук М.А. Коржинский;
Оппонент:
доктор геолого-минералогических наук Г.П. Зарайский;
кандидат геолого-минералогических наук П.Ю.Плечов;
Место защиты:
Дата защиты: 2002
Издательство: Черноголовка
Количество страниц: 178
Язык: русский
Содержание работы:
Глава 1. Литературный обзор
Глава 2. Скорости и масштабы эмиссии фумарольных газов на вулкане Кудрявый
Глава 3. Фумарольная активность вулкана Кудрявый в период с 1990 по 1999 годы. Фреатическое извержение 1999 г.
Глава 4. Геохимия изотопов водорода и тепловой баланс фумарольной системы вулкана Кудрявый
Глава 5. Газовый метасоматоз: взаимодействие высокотемпературных вулканических газов с вмещающими породами
|
Реферат:
Актуальность темы Исследования физико-химических процессов, связанных с высокотемпературными вулканическими газами, предоставляют необходимую информацию для определения температурных
и барических условий отделения летучих от магмы, для оценок объемов дегазирующегося магматического расплава, для установления источников летучих. Полученные данные позволяют
также оценить вклад магматической дегазации в общий рециклинг элементов и определить эффект воздействия магматических газов на подземные воды и вмещающие породы.
Цель исследования Вулкан Кудрявый представляет собой один из редких случаев долговременной стационарной высокотемпературной магматической дегазации. Причины и механизмы, вызвавшие
и поддерживающие в течение долгого времени стационарную дегазацию расплава на вулкане до сих пор не выяснены. Поэтому основными целями данной работы являлись изучение возможной
эволюции магматической системы во времени и оценка масштабов происходящих на вулкане процессов.
Для реализации этой цели были определены задачи работы: 1) разработка методики и проведение измерений скорости эмиссии вулканических газов; 2) изучение химического и изотопного
состава газов и их эволюции во времени; 3) определение влияния взаимодействия между магматической и гидротермальной системами на тепловой баланс фумарольной системы вулкана;
и 4) экспериментальное исследование процессов взаимодействия между высокотемпературными вулканическими газами и вмещающими породами.
Защищаемые положения
Разработана методика и проведены измерения скоростей газовых струй в фумаролах с высоким и низким расходом газов на вулкане Кудрявый. Скорости газов мощных фумарол варьируют
в пределах 8-120 м/с, тогда как скорость газовой эмиссии с парящих площадок не превышает 1 м/с. Основной вклад в валовый расход газов на вулкане составляет эмиссия с парящих
площадок, которая достигает величин порядка 20000-30000 тонн/сутки. Доля магматических газов не превышает 10% от общего газового дебита вулкана Кудрявый.
За период с 1990 по 1999 г.г. установлена тенденция постепенного уменьшения температуры наиболее высокотемпературных фумарольных газов с 940oС до 903oС, обогащения газов водой
c 93 до 96 мольных % и обеднения магматическими компонентами (CO2, Stot, HCl, HF), свидетельствующая об условиях дегазации изолированного объема магмы.
Показано, что тепловой баланс фумарольной системы вулкана Кудрявый определяется смешением высокотемпературных газов с метеорными водами. Глубина зоны смешения оценивается
порядка 120 м от уровня грунтовых вод в теле вулкана. Вблизи газовых каналов температурный градиент составляет около 140oС/м и контролируется кондуктивным теплопереносом.
Впервые на основании натурных экспериментов в высокотемпературных фумаролах установлено, что основным механизмом преобразования силикатных минералов (полевых шпатов, оливина
и биотита) при взаимодействии с газами является диффузионный катионный обмен. Коэффициенты диффузии при Т=900oС составляют 1.10-13 - 1.10-10 см2/с, что позволило оценить масштабы
газового метасоматоза порядка 3 мм за 115 лет фумарольной активности вулкана Кудрявый.
Научная новизна работы. Впервые разработана методика и выполнены прямые измерения скоростей высокотемпературных фумарольных газовых струй в кратере вулкана, что позволило
оценить масштабы валовой газовой эмиссии. Установлена постепенная эволюция температуры, химического и изотопного состава вулканических газов за последние 10 лет на вулкане
Кудрявый, свидетельствующая о дегазации изолированного объема магмы. Показано, что тепловой баланс фумарольной системы вулкана контролируется процессами фильтрации, кипения
и подмешивания метеорных вод в газовые каналы. Впервые проведены натурные экспериментальные исследования высокотемпературного газового метасоматоза и сделаны оценки масштабов
метасоматического взаимодействия на вулкане Кудрявый.
Практическая значимость работы заключается в определении масштабов газовой эмиссии и изучении процессов метасоматического преобразования вмещающих пород при долговременной
дегазации магматического расплава, необходимых для оценок возможности формирования редкометального оруденения в современных вулканических областях. Полученные данные позволяют
учитывать влияние вулканической деятельности на рециклинг элементов и климатические явления. Установленная эволюция температур и составов вулканических газов и, следовательно,
всей магматической системы в целом, является крайне важной для разработки надежных критериев предсказания изменения вулканической активности и вулканических извержений.
Фактическая основа работы и методы исследований. В основу работы положены результаты исследований, полученные автором за время пяти полевых сезонов на вулкане Кудрявый в 1993-1996
и 1999 годах, данные лабораторных и теоретических исследований автора в 1993-2000 г.г. и литературные данные по вулкану Кудрявый. Основная часть работы была выполнена в лаборатории
гидротермальных процессов Института экспериментальной минералогии РАН, а также в лаборатории изотопной геохимии Института геохимии и аналитической химии им. В.И.Вернадского
РАН.
Анализы газовых проб выполнены В.М.Округиным в ИГ и В ДВО РАН, изотопные анализы проведены автором в ГЕОХИ РАН и Е.О.Дубининой в ИГЕМ РАН. Экспериментальные исследования по
взаимодействию вулканических газов с минералами были проведены автором на природных фумаролах вулкана Кудрявый. Анализы минералов после экспериментов были выполнены автором
на микрозонде в ИЭМ РАН.
|
Библиография:
М.А.Коржинский, Р.Е.Бочарников, С.И.Ткаченко, Н.Н.Жданов и Г.С.Штейнберг Особенности фумарольной активности вулкана Кудрявый в период 1991-1999 гг. Фреатическое извержение 1999 г. Петрология, (в печати). Botcharnikov R.E., Shmulovich K.I., Tkachenko S.I., Korzhinsky M.A., and Rybin A.V. Hydrogen isotope geochemistry and heat balance of a fumarolic system: Kudriavy volcano, Kurile Islands. Journ. Volcanol. Geotherm. Res., (in press). Korzhinsky M.A., Botcharnikov R.E., Tkachenko S.I., and Steinberg G.S. Decade-long study of degassing at Kudriavy Volcano, Iturup, Kurile Islands (1990-1999): Gas temperature and composition variations, and occurrence of 1999 phreatic eruption. Earth, Planets and Space, v. 54, pp. 337-347. Simakin, A.G. and Botcharnikov, R.E. (2001) Effects of compositional convection at degassing of stratified magma. Journ. Volcan. Geoth. Res., v.105, pp.207-224. Korzhinsky, M.A., Tkachenko, S.I., Botcharnikov, R.E., Zhdanov, N.N., and Osadchii, E.G. (2000) Sensor equipment for measuring the parameters and composition of volcanic gases. Results of measurements at Kudriavy volcano, South Kuriles. VII-th Workshop on chemistry of volcanic gases, Kyushu, Japan (abstract). Botcharnikov, R.E., Shmulovich, K.I., Tkachenko, S.I., Korzhinsky, M.A., and Steinberg, G.S. (2000) Gas metasomatism: experiments at natural fumaroles of Kudriavy volcano, Iturup, Kurile Islands. Geochem. Intern., v.38, Suppl.2, pp.186-193. Botcharnikov R.E., Shmulovich K.I., Korzhinsky M.A., and Tkachenko S.I. (2000) Gas metasomatism: an experimental study of interaction between minerals and natural hot gases. Proc. Confer. Hydrotherm. Reac., Kochi, Japan (extended abstract). Korzhinsky, M.A., Tkachenko, S.I., and Botcharnikov, R.E. (2000) Triggering mechanism of phreatic eruptions: Evidence from Kudriavy Volcano, Iturup Island, Kuriles. VII Intern. Meeting on Colima volcano, Colima, Mexico. Korzhinsky, M.A., Zhdanov, N.N., Tkachenko, S.I., and Botcharnikov, R.E. (2000) New equipment for direct monitoring of high-temperature volcanic gas compositions. VII Intern. Meeting on Colima volcano, Colima, Mexico. Чураков С.В., Ткаченко С.И., Коржинский М.А., Бочарников Р.Е., Шмулович К.И. (2000) Термодинамическое моделирование эволюции состава высокотемпературных фумарольных газов на вулкане Кудрявый, Итуруп, Курилы. Геохимия. N5, c.485-501. Korzhinsky, M.A., Zhdanov, N.N., Tkachenko, S.I., and Botcharnikov, R.E. (1999) Anomalous Hydrogen in Volcanic Gases of Kudriavy Volcano, Iturup Island, South Kuriles (Direct Measurements). Experiment in Geosciences, V.8, N2. Korzhinsky, M.A., Zhdanov, N.N., Tkachenko, S.I., and Botcharnikov, R.E. (1999) New equipment for the measurements of high temperature volcanic gas conditions. Experiment in Geosciences, V.8, N1. Бочарников Р.Е., Князик В.А., Штейнберг А.С., Штейнберг Г.С. (1998) Эмиссия газов, рудных и петрогенных элементов на вулкане Кудрявый, остров Итуруп, Курильские острова. Докл. Акад. Наук. Т.361. N5. С.671-674. Botcharnikov, R.E., Tkachenko, S.I., Korzhinsky, M.A., Shmulovich, K.I., and Steinberg, G.S. (1998) Interaction between high-temperature volcanic gases and some of rock-forming minerals. Conference on geochemistry of crustal fluids, Greece. 1998. p.72. (abstract). Botcharnikov, R.E., Korzhinsky, M.A., and Tkachenko, S.I. (1998) Interpretation of magmatic-meteoric water mixing processes at Kudriavy volcano using isotope, chemical compositions and heat calculations. Colima Volcano VI International Meeting, Colima, Mexico (abstract). Коржинский М.А., Ткаченко С.И., Бочарников Р.Е., Шмулович К.И. (1998) Магматическая дегазация и минералообразование на вулкане Кудрявый (остров Итуруп, Курильские острова). В: Экспериментальное и теоретическое моделирование процессов минералообразования. c.143-168. Botcharnikov R.E., Knyazik V.A., Steinberg A.S., and Steinberg G.S. (1995) Measurements of outgassing velocities from fumarole outlets, Kudriavy volcano, Kuril Islands. Proceedings from International Symposium on Volcano-Atmosphere Interaction. 1995. Honolulu, Hawaii. P.27-34.
|
|
