Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геохимия газогидротермальных источников вулканов Эбеко и Мутновский

ВАК РФ 25.00.09, Геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

Автореферат диссертации по теме "Геохимия газогидротермальных источников вулканов Эбеко и Мутновский"

На правах рукописи

АБРОСИМОВА Наталья Александровна

ГЕОХИМИЯ ГАЗОГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВУЛКАНОВ ЭБЕКО И МУТНОВСКИЙ

Специальность 25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

1 я ДПР 2013

Томск-2013

005057503

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте нефтегазовой геологии и геофизики им. A.A. Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, профессор Бортникова Светлана Борисовна

Официальные оппоненты: Аношин Геннадий Никитович,

доктор геолого-минералогических наук, профессор, Институт геологии и минералогии им. B.C. Соболева СО РАН, главный научный сотрудник

Плюснин Алексей Максимович,

доктор геолого-минералогических наук, старший научный сотрудник, Геологический институт СО РАН, заместитель директора по научной работе

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геохимии им. А.П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук, г. Иркутск

Защита диссертации состоится 22 апреля 2013 года в 11— часов на заседании диссертационного совета ДМ212.269.03 при Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» по адресу: 634050, г. Томск, пр. Ленина, 2а, строение 5, 20-й корпус ТПУ, ауд. 504.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ФГБОУ ВПО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет» (634050, г. Томск, ул. Белинского, 55).

Автореферат разослан 21 марта 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,/"/■" Лепокурова

кандидат геолого-минералогических наук р^'у Олеся Евгеньевна

^ а

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Перенос химических элементов газогидротермальными потоками и взаимодействие таких потоков с породами широко обсуждается в геохимической литературе (Шварцев и др., 2005; Evans et al., 2008). Взаимодействия вода-порода-газ играют важную роль в функционировании гидротермально-магматических систем (Рычагов и др., 2002; Evans et al., 2008). Данные о составе газовых потоков и растворов могут быть использованы для прогнозирования и мониторинга вулканической активности (Symonds et al., 1987; Hinsberg et al., 2010). Газогидротермы играют важную роль в формировании рудных отложений, осуществляя перенос значительной части химических элементов и их соединений из магматической конвективной ячейки в гидротермальную (Набоко, 1980; Symonds et al., 1987; Hedenquist and Lowenstern 1994; Рычагов и др., 2002). Модели строения и функционирования вулкано-гидротермальных систем базируются на геохимических данных о составе горячих источников, серных фумарол и кипящих котлов, которые являются «окном» в магматическую систему (Hedenquist and Lowenstern, 1994; Бессонова, 2004; Hinsberg et al., 2010).

Состав газогидротермальных растворов в областях активного вулканизма характеризуется широкими вариациями как в содержании основных породообразующих элементов (Al, Fe, Са, Mg, Na, К), так и в содержании микроэлементов. Это проявляется на примере многих вулканических центров, демонстрирующих спектр составов вод от ультракислых до карбонат содержащих. Наблюдаемые вариации в элементном составе растворов указывают как на гомогенность/гетерогенность источников формирования этих растворов, так и на последующую эволюцию производных магматического флюида.

Несмотря на большой объем существующих данных о поведении химических элементов в газовых и водных потоках, остаются малоизученными вопросы о формах миграции и источниках химических элементов. С развитием аналитических методов появляются новые возможности определения широкого круга элементов в вулканических продуктах, а с развитием геофизических методов появляются новые инструменты исследования подповерхностного пространства.

Целью работы является количественное описание геохимии процессов миграции химических элементов в водных и газовых потоках на активных вулканах.

Основные задачи исследования.

1. Определить гидрохимические параметры термальных растворов в поверхностных разгрузках и состав конденсатов парогазовой смеси серных фумарол.

2. Определить химический состав вмещающих вулканогенных пород (различной степени измененности), гидротермальных новообразований (современные минералы термальных площадок, донные осадки кипящих котлов, самородная сера).

3. Описать поведение химических элементов в процессе взаимодействия термальных растворов и газовых потоков с вмещающими породами вулканической постройки вулканов.

4. На основе результатов геофизических измерений и геохимических параметров изучаемой системы построить модель, описывающую процесс миграции химических элементов в близповерхностном пространстве вулкано-гидротермальной системы.

Объектами исследования были выбраны два активных вулкана Мутновский и Эбеко, расположенных в пределах Курило-Камчатской островной дуги. На этих вулканах проявляется активная деятельность с мощными фумарольными полями, в пределах которых непрерывно функционируют серные фумаролы, паровые струи, термальные источники и грязевые котлы. Растворы термальных источников и конденсатов вулканов Эбеко и Мутновский по своему химическому составу отличаются от аналогичных термопроявлений на других известных активных вулканах мира.

Фактический материал. В основу диссертационной работы положен фактический материал, собранный в результате полевых геолого-геохимических и геофизических исследований 2001-2012 гг. на вулканах Эбеко и Мутновский с активным участием автора в последние годы. Основная часть коллекции образцов вмещающих пород вулканов Эбеко и Мутновский предоставлена А.Я. Шевко, М.П. Гора, Е.П. Бессоновой (ИГМ СО РАН). В ходе работ отобрано и проанализировано 154 образца твердого вещества (вмещающие породы, самородная сера, выцветы, донные осадки термальных источников и котлов) на широкий спектр элементов и 70 образцов вмещающих пород на содержание основных породообразующих окислов. Отобрано и проанализировано 94 пробы растворов (растворы гидротерм вулканов, водные вытяжки из самородной серы, поровые воды из вещества термальных площадок и серных фумарол, конденсаты парогазовой смеси серных фумарол) на широкий спектр элементов. По результатам анализов проведена

математическая обработка и получены статистические параметры для выявления генетических связей элементов.

Методы исследования включают в себя сбор фактического материала (термальные растворы, донные осадки, выцветы термальных площадок, самородная сера и конденсаты парогазовой смеси серных фумарол, вулканиты различной степени измененное™), анализ образцов на общий химический состав (потенциометрические, колориметрические и титриметрические методы), элементный состав (ИСП-АЭС, ИСП-МС, РФА, РФА-СИ) и минеральный состав (рентгенофазовый анализ, электронно-сканирующая микроскопия), петрографическое изучение пород, расчет химических форм нахождения элементов в растворах при помощи программы и базы данных WATEQ4F, исследование строения подводящих каналов на фумарольных полях изучаемых вулканов методами вертикального электрического зондирования и электротомографии.

Научная новизна работы. Впервые для вулканов Эбеко и Мутновский:

1. в газогидротермах установлены аномально высокие концентрации Сг и Ni;

2. оценена сравнительная подвижность химических элементов в процессе взаимодействия «вода-порода» на основе особенностей их распределения между растворами и вмещающими породами;

3. в самородной сере определен широкий круг химических элементов и минеральный состав ее включений;

4. показана возможность переноса Sb, As, Cu, Сг, Ni в газовой фазе.

Практическая значимость работы. Выявленные закономерности

распределения элементов в приповерхностных частях вулкано-гидротермальных систем могут быть использованы для установления источника рудного вещества при изучении процессов рудообразования. На основе геохимии газогидротермальных источников построена модель, которая объясняет происхождение составов поверхностных разгрузок фумарольных полей.

Личный вклад автора состоит в отборе большинства проб, проведении полевых и лабораторных измерений, подготовке проб для анализа, интерпретации полученных данных.

Апробация работы и публикации. Результаты работы доложены на Всемирном геотермальном конгрессе (Индонезия, 2010), XII Международном симпозиуме «Water-Rock Interaction - 13» (Мексика, 2010), Международной геохимической конференции Goldschmidt (Чехия,

2011), Всероссийской конференции «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (Томск, 2012).

По теме диссертации соискателем опубликовано 2 статьи в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК, 1 монография и 5 статей в материалах конференций.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем работы составляет 143 страниц, включая 39 таблиц и 50 рисунков. Список литературы включает 108 наименований.

Благодарности. Выражаю большую благодарность научному руководителю профессору, д.г.-м.н. Светлане Борисовне Бортниковой за постоянную помощь в работе, полезные советы и поддержку на протяжении всех этапов исследования. Благодарю зав. лабораторией № 801 ИНГГ СО РАН чл.-корр. РАН В.А. Берниковского и сотрудников лаборатории, в которой начиналось исследование. За ценные рекомендации автор признателен д.г.-м.н. O.JI. Гаськовой, д.г.-м.н. А.Е. Берниковской, к.г.-м.н. Д.А. Новику. Автор благодарит Е.П. Бессонову, А.Я. Шевко, М.П. Гора, У.Н. Куринную за предоставленный каменный материал, без которого данная работа была бы невозможна. Благодарю С.П. Бортникову, Т.А. Котенко и JI.B. Котенко за помощь при проведении полевых работ и за предоставление фотоматериалов. Благодарю Г.Л. Панина, Ю.Г. Карина, В.А. Белобородова, Ю.А. Манштейна за предоставление результатов геофизического исследования термальных полей. Выражаю искреннюю благодарность О.П. Саевой за помощь при анализе водных растворов, а также A.B. Еделеву, Н.В. Юркевич, Т.В. Корнеевой, А.Ю. Девятовой за ценные советы при обсуждении результатов исследования. Анализ проб был проведен при участии сотрудников ИГМ СО РАН: Ю.П. Колмогорова, к.х.н. И.В. Николаевой, к.г.-м.н. H.A. Пальчик.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен анализ литературных данных о составе газогидротерм в вулканических регионах мира. Указаны факторы, от которых зависит состав вулканических газов и термальных растворов. Приводятся данные о возможных источниках химических элементов и их формах переноса в газовых и водных потоках. Во второй главе рассмотрены основные черты геологического строения вулканов Эбеко и Мутновский с подробным описанием изучаемых на них фумарольных полей. Третья глава освещает методологию исследования. В четвертой главе изложены результаты изучения состава парогазовой смеси серных фумарол и самородной серы вулканов Эбеко и Мутновский. Пятая глава

105п А ,

^ о О <$> > -5 Ю51

2 о О О 2

к ® ОсО о° * з: § 5

орР <Л> я

ч я хУ XX о ° ¡■о3"

с. и <9 <р си и

— о о СО

о о 1

юз

10- 0504.0СТ, мг/л |о4 10

|()1 ОБО,-ОСТ. мг/л '°4

Рис. 2. Зависимость общей минерализации растворов от содержания основных анионов для вулканов Мутновский (А) и Эбеко (Б).

Кроме сульфат- и хлорид-ионов, в анионном составе растворов Донного фумарольного поля были определены фторид-, фосфат- и нитрат- ионы (мг/л): до 115, 120, 960, соответственно. Анионный состав свидетельствует о том, что растворы котлов представляют собой смесь различных кислот: главным образом, соляной и серной со значительным количеством азотной, плавиковой, ортофосфорной.

Основным катионом в растворах термальных источников является алюминий, доля которого (мг-экв%) среди катионов составляет до 68% в растворах влк. Эбеко и до 90% в растворах Донного фумарольного поля. Следующим по долевому содержанию в растворах большинства источников является железо. Однако в котле на Южном поле, в большинстве Юрьевских источников влк. Эбеко и в нескольких котлах влк. Мутновский - кальций. Щелочные и щелочноземельные металлы (К, Ыа, М§), которые обычно являются основными катионами в природных водах, составляют меньшую долю в большинстве растворов газогидротерм, не превышающую в сумме 13 %. В некоторых котлах Донного фумарольного поля вторым катионом по долевому содержанию является К.

Для объяснения контрастных составов источников содержание элементов в растворах было сопоставлено с их содержанием в неизмененных вмещающих породах (рис. 3).

Концентрации основных и примесных породообразующих элементов 81, А1, Ре, Са, Ыа, Тл, Мп, Ш> и металлов V, Си, Хп в литре раствора соответствуют полному растворению от 0.1 до 10 гг. вмещающей породы.

Рис. 3. Диаграммы концентраций элементов в растворах котла № 3_09 влк. Мугновский (А) и котла «Большой» влк. Эбеко (Б) в сравнении с содержанием во вмещающем базальте и андезите, соответственно.

Вмещающие породы изучаемых вулканов являются основным источником для большинства породообразующих элементов (М§, Са, 81, А1, Бе, Иа, К, Тл) в растворах. Отличия в содержании породообразующих элементов в составе растворов разных, но близко расположенных, котлов хорошо объясняются различными соотношениями вода/порода при взаимодействии поднимающегося флюида с вулканическими породами.

Следующим важным фактором, влияющим на спектр и уровень содержания химических элементов в растворах, является соотношение поступающих с магматическими флюидами растворов и метеорных вод. Влияние этого фактора подтверждается составом растворов грязевых котлов на Донном фумарольном поле. Было установлено, что растворы котлов в 2007 году содержали меньшую долю магматического флюида, чем растворы 2009 года. Об этом свидетельствуют концентрации большинства химических элементов и общая минерализация, которые в 2009 году были существенно выше, чем в 2007 г. (рис. 4Б). Сравнение результатов электромагнитного индукционного частотного зондирования (43), проведенного сотрудниками лаборатории № 564 ИНГГ СО РАН, на одной и той же площадке на Донном фумарольном поле, но в разные годы, подтвердило влияние метеорных вод на состав растворов котлов. На полученных профилях 43 были выявлены меняющиеся от года к году конфигурации каналов. После снежной зимы в 2007 г. образовавшийся на склонах Донного фумарольного поля снежник интенсивно таял, насыщая пресной метеорной водой поднимающиеся с глубины растворы, тем самым уменьшая минерализацию и концентрацию химических элементов в растворах грязевых котлов на поверхности.

Рис. 4. Профили частотного зондирования площадки на Донном фумарольном поле в 2007 г. (А) и 2009 г. (В) и сравнение состава растворов грязевого котла №6 в 2007 г. (зеленый ромб) и в 2009 г. (красный квадрат) (Б).

На профиле 43, сделанном в 2007 году (рис. 4А), выявлены более тонкие вертикальные каналы, соответствующие зонам

высокоминерализованного флюида. Форма питающих каналов была как бы «размытой», хотя их вертикальное строение четко обозначилось на разрезах. В 2009 году после относительно малоснежной зимы и сухого лета снежники отсутствовали на склонах, соответственно, соотношение «магматический флюид/метеорные воды» сдвинулось в пользу глубинных компонентов в растворах, это нашло свое отражение в изменении гидрохимической зональности подповерхностного пространства. Отчетливо видно, что в 2009 г. подповерхностное пространство под котлами представляло собой единую высокоминерализованную среду, а между выходами котлов образовались сравнительно непроводящие, «сухие» участки (рис. 4В).

Сравнением максимальных концентраций химических элементов в растворах котлов влк. Мутновский с растворами котлов на влк. Эбеко и термальными источниками р. Юрьева установлено, что концентрации практически всех элементов максимальны в растворах влк. Мутновский (рис. 5).

Для гидротерм влк. Эбеко содержание большинства породообразующих элементов выше в растворах Юрьевских источников. Однако же содержание такой ассоциации элементов, как Сг-№-"П выше в растворах котлов фумарольных полей влк. Эбеко.

Очевидно, для объяснения обнаруженных фактов необходимо привлечь механизм, способный привести к появлению минерализованных растворов с высоким содержанием химических элементов. Концентрирование элементов может осуществляться на геохимических барьерах (например, при декомпрессионном вскипании сконденсированных растворов под флюидоупором), где происходит фазовое разделение растворов на парогазовую смесь, уходящую в виде газовых струй в фумарольных постройках или парения на термальных площадках, и остаточный рассол. Действие такого барьера можно непосредственно наблюдать в приповерхностных условиях на примере системы «поровые растворы фумарольных построек - конденсаты». В остающихся после разделения на фазы поровых растворах концентрации практически всех элементов возрастают на один-два порядка по сравнению с уходящим газом (конденсатом, табл.).

Таблица. Состав конденсата и порового раствора серной фумаролы на Донном фумарольном поле влк. Мутновский

Бі Са Ме К N3 Ие А1 Мп Ті

конденсат 2 19 3.2 1.1 3.3 3.3 2.8 0.17 0.008

пор. раствор 18 220 110 80 110 310 490 5.3 5.7

7п Си РЬ V Со Сг № Ая В

конденсат 1.1 0.006 0.052 0.01 0.006 0.04 0.29 0.16 12

пор. раствор 2.4 0.85 0.3 1.4 0.12 0.19 0.11 26 330

Даже такие подвижные анионогенные элементы, как Аэ и БЬ не уходят с газовой фазой, а преимущественно остаются в поровом растворе (концентрация 8Ь в конденсате ниже предела обнаружения). Допуская, что многочисленные флюидоупоры располагаются в разных частях разреза, и флюид на пути движения способен многократно фракционировать, можно уверенно предположить, что механизм фазового разделения приведет к появлению тех концентраций элементов, которые были определены в растворах котлов и конденсатов. Следовательно, именно фазовое разделение флюида, даже более чем взаимодействие с вмещающими породами, является тем ключевым механизмом, который регулирует состав конечных гидротермальных разгрузок - кипящих котлов, термальных источников, серных фумарол.

Последовательную смену фазового состава флюида можно проследить на одном из пяти профилей, полученных методом элекгротомографии сотрудниками лаборатории № 564 ИНГТ СО РАН при участии автора на Северо-Восточном поле, где идет основная гидротермальная разгрузка вулканической деятельности влк. Эбеко (рис. 10).

и осадках из кипящих котлов были получены следующие закономерности. Анионогенные элементы Ав, ЯЬ, Бе, I, Вг, а также Си образуют наиболее высокие концентрации в сере по сравнению с андезитами. Элементы У,т, Ag, Сё, 8п также повышены в сере, но в меньшей степени. Хром, V и Шэ легко переносятся в водных растворах и накапливаются в осадках кипящих котлов в существенно большей концентрации, чем в выцветах и сере. Новообразованные минералы термальных площадок, формирующиеся из паровой фазы, содержат сравнительно низкие концентрации обсуждаемых элементов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенное комплексное геолого-геохимическое и геофизическое исследование фумарольных полей вулканов Эбеко и Мутновский установило большое разнообразие составов термальных растворов как по физико-химическим условиям, так и по концентрациям макро- и микрокомпонентов и позволило объяснить их происхождение (рис. 12).

Рис. 12. Модель функционирования приповерхностной части гидротермально-магматической системы.

Газогидротермы, разгружающиеся на термальных полях изучаемых вулканов, имеют схожий глубинный источник, на что указывает ассоциация элементов Сг-№, определенная в аномальных количествах в

растворах котлов Донного фумарольного поля влк. Мутновский и в конденсатах парогазовой смеси серных фумарол влк. Эбеко.

Основным источником химических элементов в растворах являются вмещающие породы. Однако проведенный анализ взаимодействия «вода-порода» показал, что уровень концентрации Сг, №, В, Мо, Ав, БЬ в растворах гидротерм не может быть объяснен только лищь их выщелачиванием из вмещающих пород. Для достижения обнаруженных концентраций перечисленных элементов в газогидротермах на фумарольных полях изучаемых вулканов необходим дополнительный источник, поставляющий их в магматический флюид, а затем - в зоны поверхностных гидротермальных разгрузок, и механизм, способный привести к появлению минерализованных растворов с высоким содержанием указанных элементов. Концентрирование элементов может осуществляться на геохимических барьерах. Если через такой барьер проходит подводящий канал, питающий поверхностные разгрузки на фумарольных полях вулканов, то в растворах грязевых котлов на Донном фумарольном поле могут быть достигнуты искомые концентрации химических элементов. В том случае, когда имеются подводящие каналы, способные транспортировать элементы в газовой фазе, на фумарольных полях появляются серные фумаролы с высоким содержанием металлов - серные фумаролы влк. Эбеко.

Мышьяк, БЬ, Бе, I, В и Мо поступают в поверхностные разгрузки из магматических газов. Хром и никель поступают из глубинного источника, возможно, что в постройке изучаемых вулканов существуют не идентифицированные пока тела (или магматические камеры) гипербазитового состава. Повышенное содержание К, А1, ЛЬ, Са и Ыа в растворах достигается из-за многократной переработки вмещающих пород, что характерно для котлов на Северо-Восточном фумарольном поле, Юрьевских источников и некоторых котлов на Донном фумарольном поле. Источником химических элементов в новообразованных минералах термальных площадок, содержащих наименьшие концентрации химических элементов в сравнении с другим твердым веществом, является парогазовая фаза, отделяющаяся при кипении флюида.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ 1. Абросимова Н.А., Бортникова С.Б. Исследование с использованием метода РФА-СИ поведения элементов при гидротермально-метасоматическом изменении вмещающих пород влк. Мутновского // Известия РАН. Серия физическая. - 2013. - Т 77. - № 2. - С. 233-235 (Перечень ВАК).

2. Abrosimova N.A., Bortnikova S.B. Sources of chemical elements in fumarols of active volcanic regions (Ebeco volcano, Paramushir Island) // Mineralogical Magazine. - 2011. - V. 75. - № 3. - P. 405.

3. Бортникова С.Б., Гаськова O.JI., Прнсекнна H.A. (Абросимова H.A.) Геохимическая оценка потенциальной опасности отвальных пород Ведугинского месторождения // Геохимия. - 2010. - № 3. - С. 295-310 (Перечень ВАК).

4. Абросимова Н.А., С.Б. Бортникова, O.JI. Гаськова. Формы миграции химических элементов в дренажных потоках из-под отвальных пород Ведугинского месторождения золота (Красноярский край). - Publishing house: LAP LAMBERT Academic Publishing. - 2012. - 72 c.

5. Prisekina N.A. (Abrosimova N.A.), Bortnikova S.B. The mineral modes of potentially toxic elements in the rocks of Veduginskoe deposits // 13th International Symposium on Water-Rock Interaction. - London: CRC Press, 2010. -P. 539-542.

6. Bortnikova S.B., Bessonova E.P., Bessonov D.Yu., Kolmogorov Yu.P., Lapuchov A.S., Palchik N.A., Prisekina N.A. (Abrosimova N.A.), KotenkoT.A. Trace elements in native sulfur as indicator of substance sources in fumaroles of active volcanic regions (Ebeko volcano, Paramushir island) [Электронный ресурс] // Proceedings World Geothermal Congress 2010. 25-29 April 2010. - Bali, 2010. -10 p. (CD-ROM).

7. Абросимова H.A. Поведение химических элементов в процессе взаимодействия Верхне-Юрьевских термальных источников с вмещающими породами (в. Эбеко, о. Парамушир) // Труды Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами». Томск, 1-5 октября 2012 г. - Томск: Изд-во НТЛ, 2012. - С. 293-295.

8. Бортникова С.Б., Абросимова Н.А., Бессонова Е.П. Геохимия выщелачивания элементов из базальтов при формировании грязевых котлов на Северо-Мутновском фумарольном поле // Труды Всероссийской конференции с участием иностранных ученых «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами». Томск, 1-5 октября 2012 г. -Томск: Изд-во НТЛ, 2012. - С. 203-206.

_Технический редактор Е.В.Бекренёва_

Подписано в печать 13.03.2013 Формат 60x84/16. Бумага офсет № 1. Гарнитура Тайме

_Печ. л. 0,9. Тираж 100. Зак. № 86_

ИШТ СО РАН, просп. Акад. Коптюга 3, Новосибирск, 630090

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата геолого-минералогических наук, Абросимова, Наталья Александровна, Новосибирск

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ НЕФТЕГАЗОВОЙ ГЕОЛОГИИ И ГЕОФИЗИКИ ИМ. А.А.ТРОФИМУКА СИБИРСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

На правах рукописи

04201355803 АБРОСИМОВА НАТАЛЬЯ АЛЕКСАНДРОВНА

ГЕОХИМИЯ ГАЗОГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ ИСТОЧНИКОВ ВУЛКАНОВ

ЭБЕКО И МУТНОВСКИЙ

Специальность 25.00.09 - геохимия, геохимические методы поисков полезных ископаемых

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата геолого-минералогических наук

Научный руководитель: Бортникова С.Б. доктор геол.-минерал, наук, профессор

Новосибирск -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................................3

ГЛАВА 1. Анализ состояния проблемы.................................................................8

1.1. Перенос химических элементов в газовой фазе по литературным данным..........................8

1.1.1. Состав сублиматов и инкрустаций.........................................................................................9

1.1.2. Состав конденсатов фумарольных газов.............................................................................14

1.2. Перенос химических элементов водными растворами по литературным данным............18

ГЛАВА 2. Объект исследования..................................................................................................21

2.1. Геологическое строение вулкана Мутновский.......................................................................22

2.2. Геологическое строение вулкана Эбеко.................................................................................26

ГЛАВА 3. Методы исследования.........................................................................40

3.1. Полевые исследования..............................................................................................................40

3.2. Лабораторные исследования....................................................................................................47

ГЛАВА 4. Состав вулканических газов вулканов Эбеко и Мутновский.....................51

4.1. Химический состав самородной серы.....................................................................................51

4.1.1. Макро- и микроэлементный состав самородной серы.......................................................53

4.1.2. Минеральный состав включений в самородной сере.........................................................62

4.1.3. Состав водных вытяжек из самородной серы.....................................................................63

4.2. Химический состав конденсатов парогазовой смеси серных фумарол вулканов Эбеко и Мутновский.......................................................................................................................................67

4.3. Химический и минеральный состав современных минералов термальных площадок......71

ГЛАВА 5. Состав гидротермальных источников на фумарольных полях вулканов Эбеко и Мутновский.........................................................................................76

5.1. Гидрохимия гидротермальных источников вулкана Эбеко..................................................76

5.2. Гидрохимия гидротермальных источников вулкана Мутновский.......................................83

5.3. Химические формы нахождения элементов в растворах вулканов Эбеко и Мутновский, и

состав донных осадков котлов вулкана Эбеко...........................................................92

ГЛАВА 6. Анализ взаимодействия гидротермальных растворов с породами вулканических построек вулканов Эбеко и Мутновский........................................98

6.1. Состав пород изучаемых вулканов..........................................................................................98

6.1.1 Химический состав и петрографические характеристики изверженных пород вулкана

Мутновский......................................................................................................98

6.1.2. Химический состав и петрографические характеристики изверженных пород вулкана Эбеко............................................................................................................118

6.2. Сравнительная характеристика химического состава растворов и вмещающих пород

вулканов Эбеко и Мутновский.....................................................................................................127

Заключение.....................................................................................................................................133

Литература......................................................................................................................................135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Перенос химических элементов газогидротермальными потоками и взаимодействие таких потоков с породами широко обсуждается в геохимической литературе (Шварцев и др., 2007; Evans et al., 2008). Взаимодействия вода-порода-газ играют важную роль в функционировании гидротермально-магматических систем (Рычагов и др., 2002; Evans et al., 2008). Данные о составах газовых потоков и растворов могут быть использованы для прогнозирования и мониторинга вулканической активности (Symonds et al., 1987; Hinsberg et al., 2010). Газовые и водные потоки играют важную роль в формировании рудных отложений, осуществляя перенос значительной части химических элементов и их соединений из магматической конвективной ячейки в гидротермальную (Набоко, 1980; Symonds et al., 1987; Hedenquist and Lowenstern 1994; Рычагов и др., 2002). Модели строения и функционирования вулкано-гидротермальных систем базируются на геохимических данных о составе горячих источников, серных фумарол и кипящих котлов, которые являются «окном» в магматическую систему (Hedenquist and Lowenstern, 1994; Бессонова, 2004; Hinsberg et al., 2010).

Активные вулканы являются очень интересными объектами. Их исследование дает уникальную возможность проследить геохимическую эволюцию растворов, поступающих из глубины на поверхность, изучить процессы взаимодействия, поднимающихся растворов с вмещающими породами и ответить на вопрос о возможных источниках химических элементов в гидротермах вулканов. На термальных полях современных вулканов активно протекают процессы взаимодействия вода-порода-газ. Растворы термальных источников и парогазовая фаза серных фумарол интенсивно изменяют вмещающие породы, что является общей чертой активных вулканов.

Состав газогидротермальных растворов в областях активного вулканизма характеризуется широкими вариациями как в содержании основных породообразующих элементов (Al, Fe, Са, Mg, Na, К), так и в содержании микроэлементов. Это проявляется на примере многих вулканических центров, демонстрирующих спектр составов вод от ультракислых до карбонат содержащих. Наблюдаемые вариации в элементном составе растворов указывают как на гомогенность/гетерогенность источников формирования этих растворов, так и на последующую эволюцию производных магматического флюида. Формирующиеся при этом разнообразные растворы отражают различные условия взаимодействия вода-порода и различия в строении подводящих каналов (Шварцев и др., 2007; Бортникова и др.. 2008).

Несмотря на большой объем существующих данных о поведении химических элементов в газовых и водных потоках, остаются малоизученными вопросы о формах миграции и источниках химических элементов. С развитием аналитических методов появляются новые возможности определения широкого круга элементов в вулканических продуктах, а с развитием геофизических методов появляются новые инструменты исследования подповерхностного пространства.

Целью работы является количественное описание геохимии процессов миграции химических элементов в водных и газовых потоках на активных вулканах.

Основные задачи исследования следующие:

1. Определить гидрохимические параметры термальных растворов в поверхностных разгрузках и состав конденсатов парогазовой смеси серных фумарол.

2. Определить химический состав вмещающих вулканогенных пород (различной степени измененное™), гидротермальных новообразований (современные минералы термальных площадок, донные осадки кипящих котлов, самородная сера).

3. Описать поведение химических элементов в процессе взаимодействия термальных растворов и газовых потоков с вмещающими породами вулканических построек вулканов.

4. На основе результатов геофизических измерений и геохимических параметров изучаемой системы построить модель, описывающую процесс миграции химических элементов в близповерхностном пространстве вулкано-гидротермальной системы.

Объектами исследования были выбраны два активных вулкана Мутновский и Эбеко, которые расположены в пределах Курило-Камчатской островной дуги. На этих вулканах хорошо проявлена активная фумарольная деятельность с мощными фумарольными полями. В пределах фумарольных полей непрерывно функционируют фумаролы, грязевые и водяные котлы. Составы растворов грязевых котлов вулкана Мутновский и конденсатов парогазовой смеси серных фумарол вулкана Эбеко отличаются от аналогичных термопроявлений на других известных вулканах мира.

Фактический материал. В основу диссертационной работы положен фактический материал, собранный в результате полевых геолого-геохимических и геофизических исследований 2001-2012 гг. на вулканах Эбеко и Мутновский (с активным участием автора в последние годы). Основная часть коллекции образцов вмещающих пород изучаемых вулканов предоставлена А.Я. Шевко, М.П. Гора, Е.П. Бессоновой (ИГМ СО РАН). В ходе работ отобрано и проанализировано 154 образца твердого вещества (вмещающие породы, самородная сера, выцветы, донные осадки термальных источников и котлов) на широкий спектр элементов и 70 образцов вмещающих пород на содержание основных

породообразующих окислов. Отобрано и проанализировано 94 пробы растворов (растворы гидротерм вулканов, водные вытяжки из самородной серы, поровые воды из вещества термальных площадок, конденсаты парогазовой смеси серных фумарол) на широкий спектр элементов. По результатам анализов проведена математическая обработка и получены статистические параметры для выявления генетических связей элементов.

Методы исследования включают в себя сбор фактического материала (термальные растворы, донные осадки, выцветы, самородная сера и конденсаты парогазовой смеси серных фумарол, вулканиты различной степени измененности), анализ образцов на общий химический (потенциометрические, колориметрические и титриметрические методы), элементный (ИСП-АЭС, ИСП-МС, РФА, РФА-СИ) и минеральный состав (рентгенофазовый анализ, электронно-сканирующая микроскопия), петрографическое изучение пород, расчет химических форм нахождения элементов в растворе и донных осадках при помощи программы и базы данных \VATEQ4F, исследование строения подводящих каналов на фумарольных полях изучаемых вулканов методами вертикального электрического зондирования и электротомографии.

Научная новизна работы. Впервые для вулканов Эбеко и Мутновский:

1) в газогидротермах установлены аномально высокие концентрации Сг и

№;

2) оценена сравнительная подвижность химических элементов в процессе взаимодействия «вода-порода» на основе особенностей их распределения между растворами и вмещающими породами;

3) в самородной сере определен широкий круг химических элементов и минеральный состав ее включений;

4) показана возможность переноса БЬ, Аэ, Си, Сг, N1 в газовой фазе. Защищаемые положения.

1. Термальные источники, расположенные на ограниченной территории в переделах фумарольных полей вулкана Эбеко и фумарольного поля Донного вулкана Мутновский, имеют контрастный химический состав и физико-химические параметры. Вариации состава и параметров растворов источников определяются различными соотношениями «флюид/метеорные воды», «флюид/порода», «флюид/газ».

2. Газогидротермальные источники вулканов Мутновский и Эбеко характеризуются высоким содержанием Сг и N1 по сравнению с подобными проявлениями на других вулканах мира. Обнаруженные факты обусловлены структурными особенностями проводящих каналов, механизмами миграции флюидов и наличием дополнительного источника в недрах изучаемых вулканов.

3. На термальных полях вулканов Эбеко и Мутновский широко распространены в разной степени измененные вмещающие породы, гидротермальные новообразования. Основываясь на подвижности элементов и их распределении в различных типах твердого вещества, выделены следующие группы элементов: 1) наиболее подвижные анионогенные элементы: As, Sb, Se, I, В, Mo и некоторые металлы Ni, Cr, V; 2) подвижные элементы Al, Са, К, Na, Rb, накопление которых в растворе идет при многократной переработке вмещающих пород; 3) инертные элементы Ti, Si.

Практическая значимость работы. Выявленные закономерности распределения элементов в приповерхностных частях вулкано-гидротермальных систем могут быть использованы для установления источника рудного вещества при изучении процессов рудообразования. На основе геохимии газогидротермальных источников построена модель, которая объясняет происхождение составов поверхностных разгрузок фумарольных полей.

Личный вклад автора состоит в отборе большинства проб, проведении полевых и лабораторных измерений, подготовке проб для анализа, интерпретации полученных данных.

Апробация работы и публикации. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на Всемирном Геотермальном Конгрессе (Индонезия, 2010), XII Международном симпозиуме «Water-Rock Interaction» (Мексика, 2010), Международной геохимической конференции Goldschmidt (Чехия, 2011), Всероссийской конференции «Геологическая эволюция взаимодействия воды с горными породами» (Томск, 2012).

По теме диссертации соискателем опубликовано 2 статьи в рецензируемых научных журналах, включенных в перечень ВАК, 1 монография и 5 статей в материалах конференций.

Структура работы.

Диссертация состоит из введения, шести глав и заключения. Объем работы составляет 143 страниц, включая 39 таблиц и 50 рисунков. Список литературы включает 108 наименований.

Благодарности.

Выражаю большую благодарность научному руководителю профессору, д.г.-м.н. Светлане Борисовне Бортниковой за постоянную помощь в работе, полезные советы и поддержку на протяжении всех этапов исследования. Благодарю зав. лабораторией № 801 ИНГГ СО РАН чл.-корр. РАН В.А. Берниковского и сотрудников лаборатории, в которой начиналось исследование. За ценные рекомендации автор признателен д.г.-м.н. O.J1. Гаськовой, д.г.-м.н. А.Е. Берниковской, к.г.-м.н. Д.А. Новикову. Автор благодарит Е.П. Бессонову, А.Я. Шевко, М.П. Гора, У.Н. Куринную за предоставленный каменный материал, без которого данная работа была бы невозможна. Благодарю С.П. Бортникову, Т.А. Котенко и JI.B. Котенко за помощь при проведении полевых работ и за предоставление

фотоматериалов. Благодарю Г.Л. Панина, Ю.Г. Карина, В.А. Белобородова, Ю.А. Манштейна за предоставление результатов геофизического исследования термальных полей. Выражаю искреннюю благодарность О.П. Саевой за помощь при анализе водных растворов, а также A.B. Еделеву, Н.В. Юркевич, Т.В. Корнеевой, А.Ю. Девятовой за ценные советы при обсуждении результатов исследования. Анализ проб был проведен при участии сотрудников ИГМ СО РАН: Ю.П. Колмогорова, к.х.н. И.В. Николаевой, к.г.-м.н. H.A. Пальчик.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ 1.1. Перенос химических элементов в газовой фазе по литературным данным

Основной состав вулканических газов всех вулканов мира состоит из одинаковых составляющих, различаются лишь их относительные количества (Ритман, 1964). В большинстве случаев преобладает водяной пар - его содержание может составлять от 5060% до ~ 100%. Помимо водяного пара, вулканические газы содержат СО2, СО, БОг, Бг, Н28, НС1, ОТ, Нг, СН4,1\ГНз, N2, Ог, Аг, Не (Giggenbach, 1975). Для вулкана Алаид максимальные содержания СО2, СО, Н2, СН4, НБ, НС1 были отмечены для высокотемпературных фумарол. С уменьшением их температуры увеличивалось содержание в них Н2О и Н28 (Меняйлов и др., 1986).

Рассчитано соотношение вода: газ: металлы для вулканических газов, оно составляет 1000:77:0.3 соответственно.

Химический состав вулканических газов зависит от:

1) состава магмы;

2) температуры газа в точке отбора и места отбора (кратер или лавовый поток, ветшеИ, 1987);

3) стадии активности вулкана. Газы эксплозивной деятельности вулканов резко отличаются по составу от газов, выделяющихся во время эффузивной деятельности. Во время извержения происходит дифференциация газов. Газы продуктов эксплозивной деятельности обогащены соединениями серы. СО2 и Н2 относительно галоидных соединений, составляющих основу фумарольных газов из продуктов эффузивной деятельности. Такая дифференциация, по мнению большинства ученых, является результатом неодинаковой растворимости газов в магматическом расплаве. Газы серы, углерода, водород - менее растворимы в магме, выделяются при вулканических извержениях в первую очередь и обогащают газы эксплозивной деятельности. Галоидные газы, относительно хорошо растворимые в магматическом расплаве, выделяются преимущественно на последних стадиях извержений и определяют состав газов из продуктов эффузивной деятельности (Меняйлов, 1969);

4) тектонической позиции вулкана. Газы вулканов островных дуг обычно обогащены Н2О и НС1, тогда как для вулканов внутриплитных «горячих точек», рифтовых зон характерны высокие содержания С02 и 80г (Макдональд, 1975);

5) подмешивания метеорных вод, морской воды и атмосферного воздуха (Макдоналд, 1975. ОеттеП, 1987).

1.1.1. Состав сублиматов и инкрустаций

О содержании химических элементов и их форм существования в газах можно судить, исследуя состав продуктов длительного взаимодействия газа с породами - инкрустаций, сублиматов и конденсатов парогазовой смеси серных фумарол совместно с термодинамическим мод�