ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ МАГМАТИЧЕСКОЙ ДЕГАЗАЦИИ НА ВУЛКАНЕ КУДРЯВЫЙ, КУРИЛЬСКИЕ ОСТРОВА

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.

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 940^oС до 903^oС, обогащения газов водой c 93 до 96 мольных % и обеднения магматическими компонентами (CO₂, S_tot, 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 140^oС/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=900^oС 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.

Апробация работы. Результаты исследований, положенные в основу диссертации, докладывались на Международном симпозиуме по взаимодействию вулканов и атмосферы, Гонолулу, Гавайи, США (1995); на Ежегодном семинаре по экспериментальной минералогии, петрологии и геохимии, Москва, ГЕОХИ РАН (1997); на VI Международном совещании по вулкану Колима, Мексика (1998); на Конференции по геохимии коровых флюидов, Греция (1998); на VII Международном совещании по вулкану Колима, Мексика (2000); на Международной конференции по гидротермальным реакциям, Кочи, Япония (2000); на VII Рабочем совещании по химии вулканических газов, Кюшу, Япония (2000); на XIV Pоссийском совещании по экспериментальной минералогии, Черноголовка (2001).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, имеет общий объем 178 страниц, содержит 7 таблиц, 52 рисунка. Список литературы включает 275 наименований.

Благодарности. Автор выражает благодарность научным руководителям д.г.-м.н. К.И.Шмуловичу и к.г.-м.н. М.А.Коржинскому за многочисленные полезные советы и помощь в работе над диссертацией. Автор признателен С.И.Ткаченко, Г.С.Штейнбергу, Ю.А.Тарану, А.В.Рыбину, Ф.И.Шадерману, В.А.Князику, А.С.Штейнбергу, П.Антипову за неоценимую помощь в проведении полевых и лабораторных работ, обсуждение результатов и всестороннюю поддержку. Отдельная благодарность Ю.А.Шуколюкову, С.Д.Минееву, А.Плешакову и А.Л.Девирцу за большую помощь при проведении аналитических исследований изотопного состава конденсатов вулканических газов. Автор благодарен И.М.Романенко, А.Н.Некрасову, К.В.Вану за помощь при проведении микрозондовых исследований; Е.О.Дубининой и В.М.Округину за проведение части аналитических исследований; Е.Г.Осадчему, Э.С.Персикову, А.Р.Котельникову, В.А.Ермакову, С.В.Чуракову, Р.Р.Альмееву, А.В.Симонян, А.Г.Симакину за обсуждение результатов, помощь в работе и полезные советы.