Николаева Ирина Юрьевна
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук
|
содержание |
В ходе шести полевых сезонов нам удалось опробовать практически все основные гидротермальные системы Камчатки, которые включают в себя источники с температурой около 100оС. Исследовались термальные поля Мутновской геотермальной системы: Донное поле (в кратере Мутновского вулкана), Северо-Мутновские источники, Дачные источники. В кальдере Узон исследовалось Восточное термальное поле. Опробовались источники Долины Гейзеров. В районе озера Карымского были изучены источники Академии Наук и гидротермы у истока реки Карымская. В центральной части Камчатки опробовались Верхне-Апапельские источники.
Для отбора проб конденсатов спонтанных газов была разработана и изготовлена специальная установка из нержавеющей стали, а затем полипропилена, в которой были установлены отражатели брызг и дефлегматор с сеткой для отсекания мелких капель (рис. 7,8). Температура контролировалась термодатчиком. Для уменьшения теплопотерь по корпусу установки, она была покрыта слоем пенополиуретана. Разница между температурой в источнике и на стенке установки не превышала 1оС.
Поток газа регулировался глубиной погружения установки и дебитом источника. Условия отбора подбирались таким образом, чтобы температура воды, вытекающей из холодильника не превышала 30оС. Если поток газа из источника был слишком сильным, то глубина погружения установки уменьшалась, и избыток потока выходил через край.
После установки в точке отбора система промывалась сначала паром, а затем конденсатом в течение 5-10 мин. Затем к выходу холодильника подключался флакон для пробы (пробосборник). Время опробования одного источника составляло около 2 часов.
Метод отбора проб показывает хорошую воспроизводимость. Для ее определения были отобраны последовательно по 2 пробы из одного источника. Содержание бора в них различается не более чем на 10%, притом, что между пробами из разных источников оно различается на порядки. При отборе пробы из кипящего источника она может быть загрязнена каплями раствора. Для оценки возможного загрязнения были проведены эксперименты в лаборатории и на природных источниках. Возможное загрязнение конденсата составило не более 0.1%.
Для отбора проб из эксплуатационных скважин Мутновской геотермальной станции использовался стандартный сепаратор Division Downer производства Century Resources. Опробование производилось в разных режимах, которые различались степенью открытия вентиля на патрубке.
Мутновская геотермальная система. Интенсивная фумарольная деятельность сосредоточена, главным образом, в Северо-Восточном кратере и Активной воронке. В первом постоянно действуют три группы парогазовых выходов - это Верхнее фумарольное поле с температурами фумарол более 300оС и две относительно обособленные группы на Донном фумарольном поле с температурами выходов до 150оС. Под Донным полем в озерных отложениях (оставленных от кратерного озера) заключен ограниченный по площади <микробассейн> грунтовых вод с поровой циркуляцией, питающийся за счет ледников и снежников и дренируемый р. Вулканной (Вакин и др., 1976). Существование этого бассейна отразилось на характере деятельности Донного термального поля. Слабые парогазовые струи оказались задавлены, а более мощные охлаждены грунтовыми водами.
На Донном поле отбирались пробы из источников диаметром не более 50 см, неглубоких, с небольшим количеством воды, как правило бессточных. Температура воды в источниках менялась от 90 до 100оС. Особенностью этих источников является высокая кислотность с рН в пределах от -0.6 до +1.9. Отрицательные значения рН соответствуют концентрированным растворам серной кислоты, которая накапливается в результате окисления сероводорода и сернистого газа и испарения воды. В конденсатах при отборе, как правило, выпадают хлопья коллоидной серы. Вода источника содержит много взвеси серы и глинистых частиц, поэтому приходилось производить горячее фильтрование на месте. Конденсат отбирался также из небольших парогазовых выходов. Крупные фумаролы и грязевые котлы не могли быть опробованы таким методом.
Северо-Мутновские источники, расположенные на северо-западном склоне Мутновского вулкана, представляют собой аргиллизированное поле с большим количеством термальных источников и паровых струй. Температура изучаемых нами источников варьировала от 93 до 99оС, они средне-кислые с рН в пределах от 3 до 5.
Дачные источники находятся в 9 км севернее Мутновского вулкана. Они представляют собой скорее парогазовые струи, чем источники горячих вод, но расположенные ниже, частично залиты грунтовыми водами, и поэтому, наряду с парогазовыми струями и кипящими котлами, здесь появляются горячие ключи, теплые озера и термальные болота. Термопроявления разбросаны по крутым склонам и прослеживаются широкой полосой на протяжении более километра, при этом выделяется несколько групп источников и паровых струй. Самая мощная - Активная группа располагается у подножия купола в округлой котловине с крутыми стенками высотой до 30 м. Термопроявления в виде паровых струй, кипящих котлов и горячих источников наблюдаются на стенках котловины и на ее дне. Насчитывается более 100 крупных и мелких парогазовых струй. Среди Активной группы изучению подвергались несколько небольших котелков. Они имеют высокие температуры 95.9-99.6оС и широкий интервал рН - от 1.49 до 5.16, что может быть связанно с окислением сероводорода.
Остальные группы термопроявлений Дачного месторождения (Утиная, Медвежья и др.) разбросаны на выровненных, частично заболоченных участках (Вакин и др., 1976). Для исследования выбирались источники с максимальной температурой - 92.2-99.8оС, чтобы содержание пара в газовой фазе было максимальным. Вода источников имеет широкий диапазон значений рН от слабокислых до близнейтральных. Часть из них находится в заболоченной области и вода в них может быть разбавлена грунтовыми водами.
Помимо термальных источников были отобраны пробы из двух эксплуатационных скважин Мутновской геотермальной станции. Скважина М-5э эксплуатировалась в рабочем режиме, скважина 055 была открыта на выброс в атмосферу.
Для расчета коэффициентов распределения бора в скважинах необходимо учесть загрязнение проб конденсата каплями жидкой фазы. Это можно сделать по компоненту, который считается труднолетучим и находится в больших концентрациях. Таким компонентом выбран Na. По содержанию Na рассчитывалось истинное содержание бора в конденсате CBист:
CBист =(CBк - CBв)/(СNaк- СNaв),
где - CBк, CBв, СNaк, СNaв являются измеренными концентрациями бора и натрия в конденсате и воде соответственно.
После оценки истинных концентраций были определены коэффициенты распределения бора между газом и жидкостью, которые хорошо согласуются с термодинамическим расчетом по нашими данным (рис. 9). Это свидетельствуют о том, что равновесие между паром и жидкостью соответствует температуре в сепараторе.
Конденсаты из фумарол Донного поля содержат до 2.19 мг/л бора (рис 10). Конденсат из побочной струи большой фумаролы содержит 1.66 мг/л бора. В двух источниках и паровой струе концентрации бора существенно ниже и составляет 0.24 и 0.18 мг/л соответственно. В растворах термальных источников концентрации бора варьируют в пределах 8.32-149.22 мг/л. В конденсатах Северо-Мутновских источников содержания бора изменяются в пределах 0.04-3.35 мг/л, а водная фаза значительно обеднена бором по сравнению с водами Донного поля и мало контрастна 0.041-0.08 мг/л. Для Дачных источников характерны другие концентрации бора в конденсате 0.06-4.10 мг/л, причем наблюдаются источники с низким содержанием бора 0.06-0.94 мг/л и с повышенным - 2.30-4.10 мг/л. В растворах источников концентрации бора находится в пределах от 0.04 до 2.07 мг/л. Медвежья и Утиная группы характеризуются небольшими вариациями содержаний бора в конденсатах -0.04-0.74 мг/л и более контрастными для воды - 0.06-2.92 мг/л.
Узон-Гейзерная геотермальная система. Были опробованы источники Восточного термального поля, которое территориально делится на 3 участка. На первом и третьем участке разгружаются преимущественно сульфатно-хлоридные, сульфатные воды, тогда как для второго поля характерны хлоридно-натровые. Они имеют общую минерализацию около 3,5 г/л и содержат максимальные концентрации рудных элементов, в нем четко наблюдается корреляция содержания Cl и рудных компонентов - Hg, Sb, As. По современным представлениям, этот первичный раствор формируется в толще отложений II узонского озера (пемзовые туфы) на глубинах 200-300 м при температурах около 250оС, где предполагается существование значительного термоартезианского бассейна (Карпов, 1988).В спонтанном газе источников преобладает СО2 с примесью сероводорода (до 1.5 об. %), водорода.
Конденсаты, отобранные из источников, расположенных на первом участке Восточного термального поля, содержат до 0.50 мг/л бора (рис 11).
В растворах термальных источников концентрации бора варьируют в пределах 0.07-67.54 мг/л. Конденсаты и растворы со второго участка имеют более широкий интервал значений - от 0.04 до 4.43 мг/л бора и от 1.04 до 120.4 мг/л бора. На третьем участке было отобрано всего 5 проб конденсатов сопряженных с пробами гидротермального раствора, которые имеют также очень контрастное распределение от 0.04 до 2.94 в конденсатах и от 0.28 до 21.87 мг/бора в растворах. Полученные результаты тяготеют к экспериментальной зависимости и, хотя не лежат на прямой, тем не менее, можно считать, что они достигают равновесия. Такой достаточно широкий разброс точек, несомненно, объясняется сложным строением термального поля (Карпов, 1986; Бычков, 1995), это также можно наблюдать и по другим элементам. Например, отложение аурипигмента и реальгара наблюдаются только на втором участке, что говорит о разных условиях в пределах Восточного термального поля.
Гидротермальная система Долины Гейзеров. Гидротермальная система долины реки Гейзерной уникальна и известна высокой концентрацией гейзеров на небольшой площади вблизи слияния с р. Шумной, вытекающей из кальдеры Узон.
Воды Долины Гейзеров преимущественно относят к хлоридно-натровому типу. Растворы кипящих источников и гейзеров содержат рудные элементы, например, ртуть, но собственных минералов ртути здесь пока не обнаружено (Карпов, 1988).
Конденсаты, отобранные нами из источников Долины Гейзеров, имеют очень узкие границы изменения состава - от 0.04 до 0.76 мг/л бора, что не характерно ни для одной другой исследованной нами системы (рис. 12). Термальные растворы также сильно не меняются 4.4-18.8 мг/л бора не смотря на значительные расстояния между точками отбора.
По данным, полученным при изучении распределения бора между жидкостью и газом для гидротерм Долины Гейзеров, видно, что точки тяготеют к экспериментальной зависимости. Это позволяет считать распределение бора между жидкостью и паром близким к равновесному.
Верхне-Апапельские источники располагаются в Центральной камчатке, на ручье Апапель, правом притоке реки Анавгай. Здесь разгружаются хлоридно-сульфатные натриевые, мышьяковистые, кремнистые, борные, углекислые воды. В этих источниках наблюдается современное отложение сульфидов ртути. Термальные воды проходят через породы, ранее переработанные и содержащие рудные концентрации Hg, Sb и Au.
Содержание бора в воде однородно и составляет 12-15 мг/л, так же как и содержание в конденсате, которое составляет около 0.01 мг/л бора (рис. 12).
Гидротермальная система кальдеры Академии Наук. Гидрологический, гидрохимический и тепловой режим озера Карымское вследствие извержения 1996 г. претерпел катастрофические изменения. На берегах озера активизировались существовавшие ранее термальные источники, и появились новые мощные выходы горячих вод в истоках р. Карымская.
Опубликованные разными авторами анализы воды и свободного газа источников Академии Наук показывают, что по комплексу признаков они близки к водам, типичным для высокотемпературных гидротермальных систем. Это углекисло-азотные хлоридно-натриевые воды с относительно низкой (~1.5 г/л) общей минерализацией. Все без исключения анализы свободного газа источников Академии Наук обнаруживают высокое содержание кислорода, что является признаком подмешивания насыщенных кислородом воздуха холодных поверхностных вод.
По химическому составу воды восходящих источников углекислые SO4-HCO3-Cl / Mg-Na-Ca, с минерализацией до 2.8 г/л и рН 6-7. В повышенных концентрациях в них содержатся растворенный CO2 (~1г/л), SiO2, B, F, Li. В составе спонтанных газов доминирует CO2, ~90% (Карпов и др., 2008).
Термальных воды характеризуются большим разбросом содержаний бора - от 0.05 до 10.36 мг/л. Для конденсатов, отобранных на источниках Академии Наук, также наблюдается широкий диапазон концентраций бора - от 0.01 до 10.40 мг/л бора (рис. 13).
Статистический анализ показал, что распределение бора в конденсатах характеризуется логнормальным законом с двумя максимумами, соответствующими концентрациям 3 мг/л и 0.05 мг/л. Конденсаты с малыми содержаниями бора находятся ближе к теоретическому распределению (рис. 13), а с высокими - оказались в стороне и сильно выше экспериментальной зависимости. Для последних коэффициент распределения бора стал в пользу газовой фазы, что не удалось достигнуть экспериментально. Загрязнение конденсатов каплями раствора незначительно и не меняет полученных значений констант распределения бора между газом и жидкостью.
Характер распределения бора между термальным раствором и газовой фазой различных гидротермальных систем сильно различается. Для скважин Мутновской ГеоЭС распределение бора соответствует теоретической зависимости. Такие же закономерности наблюдаются для источников Донного поля Мутновского вулкана, Долины Гейзеров, Кальдеры Узон и Верхне-Апапельских источников. Для термальных источников Академии Наук, Дачных, Медвежьих и отчасти источников Кальдеры Узон концентрация бора в конденсате на порядки превышает равновесную при температуре кипения воды.
Это может быть связано с двумя причинами: наличие неизвестных легколетучих форм переноса бора или отсутствием равновесия между жидкостью и газом. Поскольку в конденсатах с высоким содержанием бора не обнаружены другие компоненты в сопоставимых с бором концентрациях, мы полагаем, что первая причина пока не доказана. Бор образует много летучих соединений: гидриды, фториды, хлориды, органические эфиры борной кислоты и борорганические соединения. Все эти вещества легко гидролизуются, поэтому трудно предположить их преобладание в водяном пару. Диагностика новых летучих форм бора в природных газах требует специальных методов исследования.
Нам кажется, что более убедительная причина высоких значений коэффициентов распределения бора - отсутствие равновесия между парогазовой фазой и грунтовыми водами на поверхности. Хотя в большинстве термальных источников мы можем наблюдать барботаж газа через раствор ("кипящие источники"), из глубины поступает только парогазовая струя. У поверхности она взаимодействует с грунтовыми и поверхностными водами. При этом происходит конденсация пара или испарение грунтовых вод в зависимости от энтальпии (теплосодержания) парогазовой смеси.
Если к поверхности поднимается двухфазная смесь гидротермального раствора с паром, то коэффициенты распределения бора будут близки к равновесным. Если же к поверхности поступает сухой пар, температура которого выше, чем равновесная с жидкой водой при данном давлении, то мы наблюдаем аномальные коэффициенты распределения. Такие особенности газовой фазы характерны для пародоминирующих систем.
Эксперименты над термальными источниками показали, что при взаимодействии перегретого водяного пара с грунтовой водой не происходит равновесного обмена компонентами. При этом чем больше перегрет пар, тем дальше от равновесия уходит система. Коэффициент распределения показывает степень неравновесности и является функцией энтальпии парогазовой фазы.
Формирование перегретого или сухого пара происходит при кипении глубинного раствора в пласте при высокой температуре и давлении. Если такой пар поднимается к поверхности не испытывая потери тепла, его температура снижается только за счет адиабатического расширения и на поверхности превышает 100оС. Такие паровые струи известны на Дачных, Северо-Мутновских источниках и на источниках Академии Наук.
По всей видимости, конденсат газовой фазы, полученный из этих струй и спонтанных газов окружающих источников, соответствует равновесию газ-жидкость в условиях пласта. Зная содержание бора в глубинной термальной воде и концентрацию в конденсате, можно оценить температуру кипения в пласте по экспериментальным данным. Мы предположили, что глубинный гидротермальный раствор для Северо-Мутновских и Дачных источников одинаковый и соответствует вскрытому скважинами. Тогда для Северо-Мутновских источников получена оценка 310оС, для Дачных - 260оС, эти температуры хорошо совпадают со значениями, рассчитанными по газовым геотермометрам (Таран и др., 1986). Для Донного поля можно провести такую же оценку, исходя из предположения об едином источнике глубинного флюида (Таран и др., 1991). Тогда температура кипения глубинного флюида Донного поля составляет 244оС.
Для гидротермальной системы кальдеры Узон оценку состава глубинного флюида можно сделать по растворам, вскрытым скважинами. Расчетные температуры составляют 250, 160 и 290оС для I, II и III участков Восточного термального поля соответственно. Эти температуры также близки к оценкам, полученным по газовым равновесиям (Кошемчук, 1993).
Наиболее высокая температура получена для гидротерм источников Академии Наук - 320оС, где оценка состава глубинного флюида сделана по составу раствора гейзера Новый. Это может быть последствием активизации гидротермальной системы после извержения 1996 года.
Коэффициент распределения бора между газовой и жидкой фазами в термальных источниках может служить геохимическим показателем теплосодержания паровой фазы, но для его использования необходимы дальнейшие исследования. Конденсаты из перегретых паровых струй являются важными индикаторами процессов, происходящих в недрах гидротермальных систем. Содержание в них других элементов следует интерпретировать не как следствие равновесий на поверхности, а как результат кипения гидротермального раствора при более высоких температуре и давлении.
Кроме бора пробы воды и конденсатов были проанализированы на некоторые другие элементы методом ICP MS в лаборатории экспериментальной геохимии МГУ. По результатам этих анализов были рассчитаны кажущиеся коэффициенты распределения элементов между газовой и жидкой фазой (KD*). Кажущийся коэффициент распределения - это отношение содержания элемента в конденсате и растворе из источника без учета поправки на загрязнение пробы каплями раствора. Он рассчитывается по формуле:
KD* = Ci(конденсат)/Ci(раствор)
Для того чтобы кажущиеся коэффициенты распределения пересчитать на истинные значения коэффициента распределения между газом и жидкостью необходимо вычесть поправку на загрязнение каплями. Однако сейчас не очевидно, по какому элементу можно такую поправку рассчитать. Для большинства компонентов (Mg, Ca, Sr, REE) KD* < 0.01, что соответствует загрязнению пробы каплями раствора. В некоторых пробах группа элементов (B, As, Zn, Cd, Sb, Pb) имеет KD* > 1, то есть газовая фаза ими обогащена, а элементы Na, K, Cu, Al показывают KD* > 0.1. Для As, Sb, Zn, Cu, Cd повышенный коэффициент распределения газ-жидкость обнаружен для источников Академии Наук. Гидротермы Мутновского вулкана имеют иной набор "аномальных" элементов - Zn, Cd, Sb, а As преимущественно распределен в жидкую фазу.
Полученные концентрации элементов в газовой фазе не описываются равновесным распределением. Выводы, сделанные для бора, могут объяснить поведение других элементов. Результаты статистического анализа корреляции содержания компонентов в конденсатах (рис. 14) показали, что выделяются три группы элементов: первая группа - это элементы-гидролизаты, вторая включает в себя щелочные металлы, бор и мышьяк и третья - Cu, Pb, Zn Sb и W.
| 
