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

Рис.5

В четвертой главе работы изучено поведение изотопов водорода в фумарольных газах вулкана Кудрявый как индикатора смешения магматических газов с метеорными водами и сделаны выводы об основных факторах, контролирующих тепловой баланс в фумарольной системе вулкана. Для этого были отобраны и проанализированы пробы газовых конденсатов на фумаролах с различными температурами (10 проб). Полученные данные были систематизированы и сопоставлены с уже существующими данными по вулкану Кудрявый (Таблица 2; Taran et al., 1995; Goff and McMurtry, 2000).

Температурная зависимость изотопного состава водорода (D) показана на Рис.5. Из фумаролы <Ф940> было отобрано несколько проб, которые показывают тренд изменения изотопного состава во времени. Этот тренд связан с эволюцией всей магматической системы вулкана (см.главу 2), свидетельствуя о том, что абсолютная величина отношения D/H в высокотемпературном газе изменяется со временем, но в каждый момент времени отражает изотопный состав магматического газа. Фумарольные газы вулкана Кудрявый представляют собой смесь только двух компонентов - магматического и метеорного (Taran et al., 1995; Goff and McMurtry, 2000), поэтому доля каждого из них в пробах была рассчитана из следующего уравнения:

X^{m .} MAGM + MET ^. (1 - X^m) = SAMP(1)

Рис. 6

- где X^m - доля магматической воды в смеси, MAGM и MET (^o/oo) - изотопный состав водорода магматического газа и метеорной воды, соответственно; SAMP - изотопный состав данной пробы. Рассчитанные величины X^m представлены на Рис.6 в виде данных для высокотемпературных (>200^oС, залитые кружки) и низкотемпературных фумарол (T=130-187^oC, пустые кружки). Экстраполяционный линейный тренд для высокотемпературной группы точек (пунктирная линия) достигает максимальных отношений D/H (X^м = 1) при температуре 1050^oС, отражающей температуру исходного магматического газа в момент отделения от расплава, и, следовательно, температуру магмы.

Тепловой баланс смешения холодной метеорной воды и горячего магматического газа (пара) был рассчитан из энтальпий смешения воды и пара при различных соотношениях (мольных долях) этих компонентов, учитывая аддитивность энтальпий при смешении и теплоту фазового перехода при кипении или конденсации:

H^m.Х^m + H^met.(1- Х^m) = H^mixt(2)

- где H^m (кДж/кг) - удельная энтальпия горячего магматического газа (пара), H^met - удельная энтальпия холодной метеорной воды, H^mixt - удельная энтальпия получившейся смеси, а Х^m - мольная доля магматического газа. Вычисленная величина энтальпии смеси позволила определить температуру смеси для областей жидкости и пара по табличным данным (Haar et al., 1984). Результаты расчетов для давлений 1-50 бар и исходной температуры магматического газа Т=1050^oС показаны на Рис.6 сплошными линиями. Температурная зависимость доли магматической воды, полученная из проанализированных изотопных составов водорода, хорошо коррелирует с вычисленными трендами смешения магматического газа и метеорной воды, даже при температурах ниже 200^oC. Низкотемпературные точки на Рис.6 расположены на линиях кипения в температурном интервале 130-187^oC, что соответствуют давлениям кипения воды порядка 3-12 бар. Поскольку градиент давления между газовыми каналами и окружающими породами контролируется газостатическим давлением в газовых каналах и гидростатическим давлением в водонасыщенных породах, то величины 3-12 бар могут отражать гидростатическое давление водяной колонны высотой 30-120 м от уровня грунтовых вод, а значит глубины залегания зоны кипения/смешения. При высокой скорости фильтрации и подмешивания метеорных вод в газовые каналы, эти воды будут буферить температуру фумарольных газов на выходе на уровне, соответствующем Р-Т условиям в зоне кипения/смешения (Nuccio et al., 1999). Хорошо выраженная корреляция между вычисленной температурной зависимостью соотношений магматического газа и метеорной воды в фумарольных газах и независимыми данными прямых измерений изотопного состава водорода показывает, что процесс подмешивания метеорных вод к магматическим газам является доминирующим механизмом теплового баланса фумарольной системы на вулкане Кудрявый.

Кондуктивный теплоперенос также проявлен в фумарольной системе вулкана, однако он ответственен лишь за распределение изотерм вокруг фумарольных каналов. Измерение температур на фумарольных полях показало, что градиент температуры в непосредственной близости к газовым каналам достигает величин порядка 140^oC/м. Тепловые поля локальных фумарол в пределах фумарольной площадки могут перекрываться, что влияет на распределение температур, которое в этом случае характеризуется относительно плавными вариациями температуры со средним температурным градиентом порядка 10^oC/м.