Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Геохимия и условия формирования современных гидротерм зоны перехода от Азиатского континента к Тихому океану

ВАК РФ 25.00.07, Гидрогеология

Содержание диссертации, доктора геолого-минералогических наук, Чудаев, Олег Васильевич

ВВЕДЕНИЕ.,.

Глава 1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Основные определения и понятия.

1.2. Методы и подходы при изучении геохимии вод и вмещающих пород.

Глава 2. ГИДРОТЕРМЫ СИХОТЭ-АЛИНЯ. ГЕОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ

ХАРАКТЕРИСТИКА.

2.1. Геологическое строение.

2.2. Гидрогеологическая характеристика.

2.3. Углекислые воды Сихотэ-Алиня.

2.3.1. История изучения.

2.3.2. Углекислые воды Западного Сихотэ-Алиня

2.3.2.1. Шмаковская группа. Геолого-гидрогеологическое строение.

Геохимтеская характеристика вод.

2.3.2.2. Шетухинская группа. Геолого-гидрогеологическое строение.

Геохимическая характеристика вод.

2.3.3. Углекислые воды Центрального Сихотэ-Алиня.

2.3.3.1, Самаркинская группа. Геолого-гидрогеологическое строение района и геохимическая характеристика вод.

2.3.3.2. Ленинская группа. Геолого-гидрогеологическое строение района и геохимическая характеристика вод.'.1.

2.3.4. Углекислые воды Восточного Сихотэ-Алиня.

2.3.4.1. Нижне - Лужковская группа. Геолого-гидрогеологическое строение района и геохимическая характеристика вод.

2.3.4.2. Горноводненская группа вод. Геолого-гидрогеологическое строение района. 46 Геохимическая характеристика вод.

2.3.5. Основные черты сходства и различия химического состава углекислых вод.

2.3.5.1 Основные ионы.

2.3.5.2. Сидерофильная группа элементов.:.

2.3.5.3. Халькофильные элементы.й.

2.3.5.4. Литофильные элементы.:.

2.3.5.5. Актиноиды (и, ТЬ).

2.3.5.6. Редкоземельные элементы (РЗЭ).

2.3.6. Вторичное минералообразование (природные наблюдения и компьютерное моделирование).

2.3.7. Формы нахождения элементов в углекислых водах.

2.3.8. Газовый состав вод.

2.3.9. Сравнение углекислых вод Сихотэ-Алиня с углекислыми водами Дальнего Востока и других регионов.

2.3.10. Происхождение углекислых вод Сихотэ-Алиня.

2.3.11. Оценка качества углекислых минеральных вод.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Геохимия и условия формирования современных гидротерм зоны перехода от Азиатского континента к Тихому океану"

Современные гидротермальные системы широко распространены в зоне перехода от Азиатского континента к Тихому океану. Здесь сосредоточены значительные запасы подземных вод с разнообразным химическим составом и температурой, которые выводятся на поверхность вдоль ослабленных зон земной коры. В последние годы открываются подводные морские источники (действующие и потухшие) не только на ВТП, но и в окраинных морях (Охотском, Японском и др.). Вопросами формирования солевого состава подземных вод и морских гидротерм занимается гидрогеохимия - одна из бурно развивающихся наук, которая возникла на стыке геохимии и гидрогеологии. В.И. Вернадский, считающийся основателем гидрогеохимии, отмечал, что геохимия вод является одной из важнейших научных направлений, так как состав природной воды есть результат динамического развития системы вода-порода-газ-органическое вещество, и вода определяет основные черты биосферы, с которой все живое неразрывно и закономерно связано. Развитие гидрогеохимии подземных вод в нашей стране связано с именами A.M. Овчинникова, Н.И. Тостихина, A.B. Щербакова, А.И. Перельмана, Е.В. Посохова, Е.А. Баскова, П.А. Удодова, Е.В. Пиннекера, C.JI. Шварцева, В.А. Кирюхина, Б.А. Колотова, Н.М. Рассказова, И.С. Ломоносова, Б.И. Писсарского, P.C. Крайнова, И.К. Зайцева, В.М. Швеца, Б.Н. Рыженко и многих других. Среди зарубежных исследователей отметим работы Д.Е. Уайта (1965), X. Шоллера (Scholler, 1965), P.M. Гаррелса и Ч.Л. Крайса (1968), Дж. Хема (Нет, 1985), Дж. Дривера (1985, 1997), С. Апелло и Д. Постма (Appelo, Postma 1993), Д. Лан-гмюра (Langmuir, 1997), Б. Хитчона (Hitchon et al., 1999) и др. Важность гидрогеохимических исследований резко возросла в связи с экологическими проблемами, поскольку химический состав вод является интегрирующим показателем загрязнения водосбора.

Для областей современного наземного вулканизма с высоким тепловым потоком и влиянием глубинного флюида создаются специфические гидрогеологические и геохимические условия формирования подземных вод. В развитие направления геохимии термальных вод зон активного вулканизма значительный вклад внесли работы В.В. Иванова, В.А. Аверьева, И.К. Мархинина, С.И. Набоко, В.И. Кононова, Б.Г. Поляка, Е.А. Вакина, Е.А. Баскова, С.Н. Сурикова, A.B. Кирюхина, В.Д. Пампуры, Л.М. Лебедева, Ю.А. Тарана, Г.А. Карпова и других. Среди зарубежных исследователей отметим Д. Уайта, А. Элиса, У. Махона, У. Гигенбаха, А. Трусдела, Г. Мишарда, С. Арнорссона и др. В результате всех этих исследований были выяснены основные факторы, контролирующие поведение химических элементов в системе вода-порода-газ, пополнились знания о химическом составе подземных вод и основных закономерностях их распределения на Земле.

В последние годы активно изучается гидрогеохимия подводных гидротермальных систем, развитых в областях спрединга океанической коры (Дж. Корлис, Дж. Эдмонд, К. Вон Дамм, А. Кампбел, А.П. Лисицын, Ю.А. Богданов, П. Рона, В.Б. Курносов, С. Г. Краснов и др. Полученные данные, доказывают масштабность этого процесса, влияющего не только на состав окружающих фоновых морских вод, осадков, но и на биоту. Накопленный обширный материал по вторичным минералам пород океанической коры, как современной, так и древней (офиолиты), свидетельствует о значительной роли процессов взаимодействия морская вода-порода, протекающих как в спрединговых зонах, так и за ее пределами. Согласно данным А.П. Лисицына (1981) вся океаническая вода прокачивается через гидротермальные циркулирующие системы за 3-8 млн лет.

Несмотря на определенные экономические трудности, за последнее десятилетие в России появился ряд фундаментальных обобщающих трудов по гидрогеохимии. Это прежде всего работы С.Л. Шварцева (1991, 1996,1998), С.Р. Крайнова и В.М. Швеца (1992), В.А. Кирюхина с соавт. (1993), Е.А. Баскова с соавт. (1996), С.Р. Крайнова и Б.Н Рыженко (1997, 2000), Б.Н Рыженко с соавторами (2000,2201).

В то же время многие проблемы остаются еще не решенными. Особенно это касается тектонически - активных областей Дальнего Востока России, где влияние эндогенного вещества на состав подземных вод может быть значительным. Развитая на стыке континента и океана сеть глубинных разломов способствует проникновению глубинных газов в подземные воды, а также просачиванию воды в более глубокие горизонты земной коры. Можно полагать, что геологические факторы в таких областях играют важную роль в формировании солевого состава подземных вод. Как отмечает С.Л. Шварцев (1998), верхняя зона подземных вод в большей степени зависит от климатических факторов, рельефа, состава органического вещества, проницаемости пород и т.д., тогда как растворение пород и минералов, обменные реакции в системе вода-порода отступают на второй план. В более глубоких горизонтах геологические факторы играют решающую роль.

При всей грандиозности гидротермальной деятельности в океане в зоне спрединга для остальной части океана она изучена слабо. Это связано и со сложностью обнаружения гидротермальных проявлений, и с трудностью их опробования. В то же время гидротермальные изменения пород океанической коры свидетельствуют, что гидротермальные проявления в северозападной Пацифики были распространены значительно шире, в том числе на гайотах, в глубоких трогах, желобах. Восстановление условий формирования гидротермальных систем океана является важной задачей.

ВВЕДЕНИЕ

Цель работы

Цель настоящей работы - исследование состава, условия формирования и генезиса современных гидротерм в зоне перехода от Азиатского континента к Тихому океану.

Достижение этой цели требует решить следующие задачи.

1. Исследовать современными аналитическими методами состав вод и газов в гидротермах, локализованных в тектонически активных областях Дальнего Востока России на Сихотэ-Алине и Камчатке.

2. На основе новых данных исследовать равновесие реакций в системе вода - порода и установить основные факторы, влияющие на состав вод. Определить химическую эволюцию вод в цикле: атмосферные осадки - грунтовые воды - минеральные. Выявить закономерности региональных вариаций состава вод в различных геодинамических обстановках Сихотэ-Алиня и Камчатки.

3. Определить генезис воды и газов в изученных системах на основе оригинальных данных по изотопам и их отношениям в воде (б180, Б, 813С, ^гЛБг), газах (513С, 3Не/4Не, 40Аг/36Аг, 20Ые/22Ме, 84Кг, 132Хе и другие), вмещающих породах и минералах (6180, Б, 878г/8б8г ).

4. Восстановить основные физико-химические параметры формирования морских гидротермальных систем на основе результатов, полученных диссертантом по гидротермальному метаморфизму пород 2-го и 3-го слоев океанической коры.

Фактический материал и вклад автора

Диссертант использовал материал, полученный им в ходе выполнения международных проектов ИНТАС «Минеральные воды Приморья» и «Уникальные гидротермальные системы Камчатки», в которых он был ответственным исполнителем, а в камчатском проекте - также координатором российской команды. В рамках выполнения этих проектов в его задачу входило: отбор проб и их подготовка к анализу, интерпретация полученных данных, написание научных отчетов и статей. Всего опробовано и проанализировано около 200 проявлений вод. Диссертант руководил проектом РФФИ «Гидрогеохимические типы и условия образования азотных термальных и холодных углекислых вод Сихотэ-Алиня» (98-05-65377). Им изучено более 30 проявлений вод, что позволило получить уникальные данные по редкоземельным элементам и изотопным отношениям инертных газов. Вместе с анализом вод диссертантом отобраны и проанализированы водовмещающие породы (минеральный и химический составы).

Морские исследования молодых гидротермальных систем изучались диссертантом в рейсах НИС «Вулканолог» (1979), «Менделеев» (1982 г.), «Академик А. Виноградов» (1983, 1984) , «Академик Несмеянов» (1986 г.), и др. Всего проанализировано более 100 проб пород и осад- 7 ков, содержащих следы гидротермальной деятельности. Наряду с этим он изучал керн скважин по проектам «БЗБР» и «ОБР» и разрезы офиолитов (с-в Камчатки и о. Кипр), которые сохранили геохимические и минералогические черты низкотемпературного океанического гидротермального метаморфизма.

Расчеты равновесия физико-химических реакций в системе вода-порода были выполнены диссертантом с использованием программных средств Селектор-С и ЯОЬМПМЕС).

Все теоретические разделы диссертации выполнены лично автором. Основные положения диссертации и выводы опубликованы в печати.

Основные защищаемые положения

1. Гидротермальные системы Сихотэ-Алиня и Камчатки формируются под действием трех составляющих. Источники водного питания по данным изотопных отношений кислорода и водорода формируются главным образом за счет метеорных вод. Химические компоненты воды образуются в результате химических реакций в системе вода - порода. Газовая компонента вод имеет разное происхождение (воздушное, глубинное и др.). Кислотно-щелочные свойства вод, их температура, продолжительность взаимодействия с окружающими породами, существенно влияют на накопление химических элементов в водах. Региональные вариации состава подземных вод определяются конкретными геолого-гидрогеологическими условиями района (состав и проницаемость водовмещающих пород, скорость водообмена, глубина проникновения вод, величина теплового потока и др.).

2. Компьютерное моделирование и расчеты физико-химического равновесия реакций в системе вода-минерал показали, что воды неравновесны к первичным алюмосиликатам и равновесны по отношению к вторичным минералам. Это же подтверждается природными наблюдениями за составом вод и вторичными минералами. Воды, образующиеся вне вулканических центров (углекислые холодные и азотные щелочные термы), пересыщены, как правило, по отношению к глинистым минералам цеолитам и альбиту. Для зон современного вулканизма (Мутновский и Узон-Гейзерный районы) в областях разгрузки корневого водного потока (С1-Ыа воды) калиевый метасоматоз является определяющим, а на периферии систем в областях питания (НС03-804-Са-№ воды) характерна более низкотемпературная альбит-цеолитовая ассоциация.

3. Полученные впервые данные по редкоземельным элементам (РЗЭ) позволили установить, что самые высокие концентрации наблюдаются в кислых водах. Профиль распределения РЗЭ отражает, с одной стороны, распределение их в минерале хозяине, и с другой - скорость водообмена. Сходный профиль распределения РЗЭ в водах Сихотэ-Алиня свидетельствует об одном источнике их поступления - в основном за счет растворения плагиоклазов. Растворение сульфидных минералов (Неробинское проявление), приводит к резкому изменению профиля РЗЭ.

4. Разогретая морская вода участвует в гидротермальном преобразовании пород 2-го и 3-го слоев океанической коры желобов Западной Пацифики. Это подтверждается стабильными изотопами кислорода и водорода в минералах и компьютерным моделированием. В то же время в формировании серпентиновых минералов ультрамафитов 3-го слоя, наряду с морской водой, принимают участие более глубинные воды, сформированные за счет дегидратации субдуци-руемой плиты.

Научная новизна результатов исследования

1. Впервые получен и обобщен большой фактический материал (в первую очередь аналитический, по широкому спектру химических элементов, включая микроэлементы, РЗЭ, и изотопы) по гидротермам Сихотэ-Алиня и Камчатки.

2. Рассмотрены причины изменения химического состава вод в цикле атмосферные осадки - грунтовые воды - минерализованные и определены причины региональных вариаций подземных вод. Показано, что повышение температуры азотных термальных вод от юга Сихотэ-Алиня (Чистоводненская группа) на север (Амгинская, Тумнинская и Аненская группы) вдоль побережья Японского моря свидетельствует об увеличении теплового потока в этом направлении, обусловленное разуплотнением коры и, как следствие, появление здесь молодого плиоценового вулканизма. Увеличение температуры вод привело к повышению концентраций в первую очередь кремнезема и натрия.

3. Показано, что характер распределения РЗЭ и низкая минерализация вод свидетельствуют о высокой скорости водообмена в геологических структурах. В углекислых водах РЗЭ мигрируют преимущественно в виде комплекса с гидрокарбонат-ионом и в адсорбированной форме, на тонких коллоидах гидроокислов железа.

4. Использование собственных и литературных данных по химическому составу и вторичным минералам водовмещающих пород, а также компьютерное моделирование позволили оценить вклад пород в формирование солевого состава вод. Состав большинства термальных источников, выходящих на поверхность в Паратунском и Мутновском геотермальных районов, формируется за счет взаимодействия вода-порода и разбавления глубинных вод близповерхностными.

5. Изотопные отношения кислорода и водорода в серпентиновых минералах желобов Западной Пацифики свидетельствуют, что в процессе гидротермального метаморфизма пород 3-го слоя океанической коры наряду с морской водой участвуют воды глубинного происхождения.

Практическая ценность работы

Созданная база данных по составу вод является основой для решения практических задач в самых различных областях гидрогеологии и геологии. Раскрытие закономерностей формирования солевого состава вод зон активного водообмена на Сихотэ-Алине и в областях активного вулканизма на Камчатке позволяет оценивать процессы современного рудообразования с новых позиций. На примере Неробинского проявления, имеющего специфический состав вод, показано, что он формируется под влиянием сульфидной минерализации, расположенной на водосборе. Геохимические признаки: рН, Eh вод, содержание в них Al, Pb, Zn, As и других элементов могут служить хорошим поисковым критерием обнаружения рудных скоплений в этом районе.

Полученные данные создают практическую основу для рационального использования минеральных вод этой громадной территории. Применение для питьевых целей углекислых вод Сихотэ-Алиня и Камчатки (Малкинские воды) накладывает определенные ограничения на содержание в них целого ряда элементов, оказывающих токсикологическое воздействие на организм. Анализ соответствия углекислых вод российским и международным стандартам показал, что для большинства углекислых источников наблюдается превышение в несколько раз ПДК по барию, железу, кремнию, литию, рубидию, марганцу и другим элементам, а Неробинском источнике превышение в 3 раза по мышьяку. Индексы насыщения, рассчитанные для вод Пара-тунской гидротермальной системы, позволяют оценить порог температур, при которых возможно осаждение тех или иных минералов во время транспортировки термальных вод по трубопроводам.

Апробация работы

По теме диссертации опубликована 31 работа, включая 4 монографии. Результаты исследований были представлены на совещаниях различного уровня, в России, и за рубежом, в том числе на 28-м, 29-м и 30-м международных геологических конгрессах (Вашингтон, 1989 г., Киото, 1992 г., Пекин, 1996 г.), международных симпозиумах взаимодействие вода-порода (Water-Rock Interaction) Молверн, Англия, 1989 г.; Парк-сити, США, 1992 г.; Владивосток, Россия, 1995 г.; Таупо, Новая Зеландия, 1998 г.; Каглиари, Италия, 2001 г., международной Гольдшмитовской конференции (Гейдельберг, Германия, 1996 г.), международной конференции по термальным водам (SITH, Hakone, Япония, 1997 г.), международной конференции по геохимии поверхностной оболочки Земли (Рекьявик, Исландия, 1999 г.), международной научной конференции по фундаментальным проблемам воды и водных ресурсов, Томск, 2000 г.), научно-практической конференции «Минеральные воды Дальнего Востока» (Владивосток, 2001 г.).

Объем работы

Работа состоит из Введения, пяти глав, Основных выводов и литературы. Текст — таблиц-36, иллюстраций - 111 и фотографий - 5.

257 с,

Диссертация выполнена в лаборатории океанического литогенеза и рудообразования ДВГИ ДВО РАН в 1980-2001 гг. Автор признателен всем сотрудникам лаборатории Ю.Г. Во-лохину, Е.Д. Петраченко, Е.В. Михайлику, H.H. Баринову, Л.Б. Хершбергу, H.A. Чепкой, Г.А. Челнокову, H.A. Груде, Г.А. Юдиной, С.П. Славкиной, а также ее первому заведующему В.Б. Курносову и директору ДВГИ ДВО РАН, члену-корреспонденту РАН А.И. Ханчуку за поддержку на всех этапах работы.

На разных этапах работы автора поддерживали и консультировали В.А. Чудаева, О.В. Ав-ченко, А.Н. Челноков, Б.И. Челнокова, C.JL Шварцев, Е.В. Пиннекер, Б.И. Писсарский, Г.А. Карпов, В.М. Округин, P.A. Шувалов, П.В. Маркевич, С.А. Щека, Л.П. Плюснина, Г.Г. Лихойдов, З.Г. Бадрединов и многие другие которым автор выражает свою благодарность.

Автор благодарит зарубежных коллег, оказавших неоценимую помощь в проведении аналитических работ, проф. М. Эдмундса и д-ра П. Шанда (Англия), докторов К. Сугимори, М. Кусакабе, Н. Нагао (Япония), И. Караку и Дж. Сордсена (США).

Заключение Диссертация по теме "Гидрогеология", Чудаев, Олег Васильевич

2.4.5. Основные выводы по термальным водам Сихотэ-Алиня

Заканчивая описание термальных вод Сихотэ-Алиня (Приморья) можно отметить следующее:

1. Рассмотренные азотные термальные воды Сихотэ-Алиня являются низкоминерализованными водами НСОз - № типа. Уровень концентрации большинства элементов ниже чем в аналогичных азотных термах Европы и Кореи. В сравнении с водами в Республике Корея, а также азотными термами Байкальской рифтовой зоны в приморских термах ниже С1", К, но выше НСОз" и 8Ю2. Поведение химических элементов в изученных водах контролируется скоростью водообмена и формированием вторичных минеральных фаз

2. Приводимые ранее данные по высоким содержаниям металлов (Си, Ag, РЬ, 11, V, Ве) в Сихотэ-Алинских термах не подтверждается нашими результатами.

3. Впервые полученные данные по РЗЭ показали их низкую концентрацию, - ниже, чем в речных водах данного района. Профиль распределения РЗЭ свидетельствует, что основным источником их поступления в воды служили плагиоклазы. Судя по низкой минерализация вод и характеру распределения РЗЭ, циркуляция вод в толще пород происходит достаточно быстро. Рассчитанная глубина погружения соответствует 2.5 км.

4. Соотношение изотопов кислорода и водорода свидетельствует, что в основе водной компоненты лежит метеорная вода. Азот, составляющий основу газовой фазы, имеет атмосферное происхождение.

5. Подтверждается ранее высказанное утверждение (Кирюхин и Резников, 1962) о повышение температуры вод от Чистоводненских (на юге Сихотэ-Алиня) к Амгинским, Тумниннским и Аненским (на севере), что на наш взгляд свидетельствует об увеличении теплового потока в этом направлении, обусловленное разуплотнением коры и, как следствие, появление в северной части молодого плиоценового вулканизма.

Глава 3 ГИДРОТЕРМЫ КАМЧАТКИ

3.1. ГЕОЛОГО-ГИДРОГЕОЛОГИЧЕСКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА КАМЧАТКИ

По современным представлениям Камчатка в геологическом плане представляет собой область кайнозойского коллажа террейнов с фрагментами структурных элементов позднемело-вой-раннепалеогеновой границы континент-океан и позднемеловых и палеогеновых островных дуг (Ханчук, Иванов, 1999). Большинство из них были аккретированы в среднем-позднем эоцене и только террейны полуостровов Кроноцкого и Камчатский мыс - в неогене. К постаккреционным структурам относятся система олигоцен-миоценовых вулканических поясов, протягивающихся через западную и центральную Камчатку (Западно-Камчатский и Центрально-Камчатский вулканические пояса) и современный Восточно-Камчатский вулканический пояс (рис. 50). Вулканиты, заполняющие Центрально-Камчатскую депрессию, скорее всего могут быть отнесены к внутриплитным вулканитам, а Восточно-Камчатского пояса - к субдукцион-ным. В настоящее время активная вулканическая деятельность сосредоточена в Восточном вулканическом поясе Камчатки, где насчитывается 27 действующих вулканов. Как отмечается в работах Е.А. Вакина (1968) и В.И. Кононова (1983), наиболее крупные вулканические аппараты (кальдеры), мощные зоны гидротермально-измененных пород и почти все высокотемпературные термальные воды приурочены к узкой полосе (15км), протягивающейся вдоль Восточно-Камчатского вулканического пояса, где широко развит кислый вулканизм. Известно, что островодужный кислый вулканизм формируется близповерхностными магматическими очагами, с которыми, как правило, связаны крупные гидротермальные системы (Авдейко и др., 1998).

Согласно исследованиям Б.Г. Поляка (1966), Я.Б. Смирнова и В.М. Сугробова (1980), выполненных для Курило-Камчатского региона, особенностью теплового поля является его крайняя нестационарность, выраженная в широком развитии локальных термоаномалий с большим разбросом температур от низких значений до высоких. Главную роль в выносе тепла играет конвективная составляющая. Согласно данным вышеприведенных авторов, наблюдается определенная связь значений теплового потока с крупными структурными элементами этого региона. Наиболее высокое тепловое поле зафиксировано в Центрально-Камчатской зоне - до 105 мВт/м2. В Восточно-Камчатском поясе эта величина достигает лишь 50-60 мВт/м2. На от

Рис. 50. Геотектоническое строение п-ова Камчатка по А.И. Ханчуку (1999) 1 - осадочные бассейны трансформных границ (палеоцен-эоценовые); 2 - турбидитовый неогеновый бассейн; 3 - островодужный террейн (аккреционные призмы и вулканические дуги) палеогенового возраста; 4 - террейн аккреционной призмы позднемелового возраста; 5 - островодужный террейн (аккреционные призмы и вулканические дуги) поздемелового возраста; 6 - мезо-кайнозойские осадочные бассейны; 7 - мезо-кайнозойский вулканический пояс трансформной континентальной окраины (Центрально-Камчатский вул-кано-плутонический пояс); 8 - мезо-кайнозойский субдукционный вулканический пояс; 9 - синсдвиговые раннемеловые гранитоиды трансформных границ; 10 - комплексы метаморфических ядер; 11- разломы. Изученные проявления термальных вод: ПГ - Паратунский геотермальный район, М - Малкинские термы, А - Апачинские термы, МГ — Мутновский геотермальный район, УГ - Узон-Гейзерный геотермальный район дельных участках Восточной Камчатки (Паужетский, Мутновский, Узон-Гейзерный геотермальные районы), составляющих около 4% площади, отмечается значительный вынос тепла гидротермальной и вулканической деятельностью. На наш взгляд, высокое значение теплового поля в Центральной депрессии Камчатки может быть обусловлено воздействием мантийного диапира, возникшего по механизму "slab-window", описанному А.И. Ханчуком, В.В. Ивановым

1999]. Вещественным выражением подобного механизма является формирование внутриплит-ных базальтов, имеющих соответствующие геохимические характеристики.

Согласно данным В.И Кононова (1983), общее число выходов термальных вод на Камчатке свыше 100. Они могут быть классифицированы (по составу газовой составляющей) на 5 основных типов: сероводородно-углекислый, азотно-углекислый, углекислый, азотные щелочные термы и метановые. Выделенные группы, в зависимости от солевого состава и температуры, подразделяются на подгруппы.

Сероводородно-углекислый тип является достаточно широко распространенным он характерен для зон современного вулканизма Восточной Камчатки и связан с выходами вулканических газов в кратерах, кальдерах современных вулканов. В зависимости от обводненности пород, газы (НС1, Ш% Н2, 802, С02 и др.) могут прорываться непосредственно на поверхность, формируя фумаролы различного состава, либо, взаимодействуя с водоносными горизонтами, образуют, как правило, кислые термальные воды, которые подразделяются, в зависимости от состава, на несколько подтипов. Примерами таких типов вод на Камчатке могут служить воды Кальдеры Узон, Мутновского геотермального района и др.

Азотно-углекислый тип терм, хотя пространственно и связан с современной вулканической деятельностью, но эта связь выражена не так ярко, как в предыдущем типе. Воды приурочены обычно к обширным вулканическим депрессиям, а их активность связана с вспышками кислого вулканизма. В составе газовой фазы преобладают С02 и N2. Примером подобного типа вод являются Паужетское месторождение, Долина Гейзеров и др.

Углекислый тип терм (парогидротермы и горячие источники) встречается в Восточном вулканическом поясе и приурочен к менее активным его участкам. Формируется на заключительных стадиях магматической активности. Примерами могут служить Нижнекошелевские парогидротермы, Налычевские источники и др.

Холодные углекислые воды не имеют ярко выраженной приуроченности к тем или иным вулканически - активным структурам, скорее всего, это воды неглубокой циркуляции, но с высоким содержанием углекислого газа - как растворенного, так и свободного, который может иметь глубинное происхождение. Примером является известное Малкинское месторождение углекислых вод, расположенное в Центральной части Камчатки.

Азотные щелочные термы, распространенные, главным образом, в районах раннечетвер-тичного вулканизма. Примером этого типа вод являются Паратунские, Начикинские, Малкин-ские, Апачинские горячие воды. По В.И. Кононову, такие термы формируются в зонах крупных тектонических нарушений вне прямой связи с вулканическими очагами; солевой состав образуется в основном за счет вмещающих пород. Особенностью этих вод является сульфатно-хлоридный натровый состав, щелочная реакция вод (рН > 8) и незначительное содержание газа, преимущественно азота.

Метановые термальные воды довольно однообразны по составу, среди катионов преобладает натрий, а среди анионов - хлор. Эти воды широко развиты в осадочных бассейнах Западной и Центральной Камчатки.

Существуют и другие классификации вод вулканически активных областей. В основу систематизации термальных вод Е.А. Басковым и С.Н. Суриковым (1975) положены кислотно-щелочные свойства и окисный состав. У. Гигенбах (Giggenbach, 1991) на основе соотношения основных анионов: БОД НСОз", СГ выделяет: вулканические, перегретые, периферийные и природные воды (рис. 51). На наш взгляд, неопределенность понятий "вулканические", "перегретые" и "периферийные" воды не позволяет в полной мере использовать указанную классификацию. Скорее всего, она пригодна для районов, в которых отчетливо прослеживается связь вод с вулканической деятельностью при наличии единого питающего центра. Диссертант полагает, что наиболее полной классификацией является классификация В.И. Кононова (1983), которая учитывает газовую компоненту вод, поскольку газ оказывает первостепенное воздействие на формирование гидрохимического облика воды. Добавление в воду первых процентов газа, состоящего, например, из НС1, Н28 и С02, приводит к снижению рН раствора до 2-3 и ниже и, как следствие, резко усиливает эффект выщелачивания химических элементов из окружающих пород. Даже для холодных углекислых вод эффект добавления в воду С02 оказывает решающее воздействие на формирование их солевого состава. Например, для Шмаковского месторождения углекислых вод Приморья диссертантом было показано, что участки месторождения, обогащенные углекислым газом, характеризуются кислым рН и соответственно более высокой минерализацией, чем периферийные области, содержащие небольшие концентрации углекислого газа (Чудаева, Чудаев и др., 1999; Чудаев, Чудаева и др., 2000). В то же время положенная в основу классификации только газовая составляющая вод не отражает в полной мере гидрохимический облик воды. Взятая нами за

Среди многообразия термальных вод Камчатки ниже будут рассмотрены термы, локализованные в различных геодинамических обстановках. Одна группа вод не имеет явно выраженной связи с вулканизмом. Их пооснову классификация В.И. Кононова была дополнена группировкой вод по основным катионам и анионам (с использованием Пайперовской диаграммы).

НСОз

0.2

0.8

Пл ложение контролируется разломной тектони

Рис. 51. Классифик; кой и приурочены они, как правило, к грабе- генбаха (Сй^епЬасЬ, 1991)

С1

Рис. 51. Классификационная диаграмма У. Гиноподобным структурам, вулкано-тектоническим депрессиям. К этой группе относятся Пара-тунская и Малки-Апачинская системы. Вторая группа вод тесно связанна с современной вулканической деятельностью, которая обусловлена субдукционными процессами (Мутновский геотермальный район и кальдера Узон). Источником тепла и летучих для этого типа вод являются близповерхностные очаги кислых магм. Среди этих вод выделяются высокотемпературные (Т>150°С) и низкотемпературные термы, расположенные, как правило, на периферии систем.

В описании мы будем пользоваться термином "геотермальный район". Не вдаваясь в детали, мы вкладываем в понятие "геотермальный район" больше географический смысл, рассматривая его как совокупность нахождения термальных проявлений на определенной площади. Будут рассмотрены воды Паратунского, Малки-Апачинского, Мутновского и Узон-Гейзерного геотермальных районов. Понятие "гидротермальная система", как было показано выше, несет больше генетический смысл, предполагая общность теплового питания, наличие единого водного подземного резервуара, зон загрузки и разгрузки вод и т.д.

3.2. ПАРАТУНСКИЙ ГЕОТЕРМАЛЬНЫЙ РАЙОН

Согласно представлениям В.И. Белоусова (1978), Паратунский геотермальный район включает целый ряд проявлений (месторождений) термальных вод. В первую очередь, это собственно Паратунское месторождение, расположенное в долине р. Паратунка, а также Банные и Начикинские проявления термальных вод. На наш взгляд, к этому району должны быть отнесены и Карымшинские термы; во-первых, как будет показано ниже, эти воды имеют близкие гидрохимические характеристики, особенно с Верхнепаратунскими проявлениями; во-вторых, этот район является частью водосбора р. Паратунка и характеризуется близостью геологического строения и гидрогеологических условий.

3.2.1. Геолого-гидрогеологическое строение района

Геологическая позиция района представлена на упрощенной схеме А.И. Сережникова и В.М. Зимина (1976), рис. 52. По различию в составе пород и геологическому строению можно выделить несколько зон: Верхнекарымчинская и Нижнекарымчинская вулканические зоны, Толмачевская область ареального вулканизма, Начикинская и Паратунская депрессии.

Верхнекарымчинская вулканическая зона представлена кислыми вулканитами, а также андезитами и липаритами. Условия залегания этих толщ весьма разнообразны - это могут быть лавовые потоки, дайки и субвулканические тела. Характерной ее чертой является широкое раз

Р. Плотникова

- 1

-Ц] 2

3 3

23

-11 б

А.

-1 8

Рис. 52. Упрощенная схема геологического строения Паратунского геотермального района (Сережников, Зимин, 1976). 1 - Начикинская структурная зона (НС); 2 -Верхнекарымчинская вулканическая зона (ВК); 3 - Нижнекарымчин-ская вулканическая зона (НК); 4 - Толмачевская зона ареального вулканизма (Т); 5 - Северная часть вулкана Горелого (ВГ); 6 - Крупные интрузии; 7 - Термальные источники; 8 - Важнейшие разрывные нарушения; 9 - границы структурных зон; ПД-Паратунская депрессия; НД- Начикинская депрессия; А - Верхнепаратунские источники; Б - Среднепара-тунские источники; С - Нижнепаратунские источники; К — Карымшинские источники; Н - Начикинские источники витие игннмбритов, которые могли возникнуть в результате кальдерообразования (Сережников, Зимин, 1976). Кислый вулканизм, предположительно, начался в среднем миоцене и продолжался с разной степенью интенсивности вплоть до настоящего времени. В пределах этой зоны располагаются Верхнепаратунские и Карымшинские проявления термальных вод. Благодаря общности геологического строения и гидрогеологических условий указанные проявления термальных вод имеют много общих черт.

Нижнекарымчинская вулканическая зона отличается от Верхнекарымчинской блоковым строением, среди отдельных блоков обнаружены выходы верхнемеловых пород. Состав вулканитов более основной. В четвертичное время вулканическая активность отсутствовала.

Толмачевская область ареального базальтового вулканизма характеризуется наличием мелких базальтовых вулканов с возрастным диапазоном верхний плейстоцен — начало голоцена. Согласно данным С.Е. Апрелкова и др. (1999), Карымчинская и Толмачевская зоны принадлежат к единой вулкано-тектонической депрессии. Начикинская депрессия заполнена мощным чехлом ледниковых отложений двух фаз верхнечетвертичного оледенения и современными аллювиальными и озерными отложениями. В строении принимают участие породы палеогеннеогенового возраста, представленные в основном андезитами, дацитами, базальтами и их туфами, прорванные интрузиями диоритов диоритовых порфиров, гранодиоритов неогена. Даци-ты залегают на ороговикованных метаморфизованных породах, возникших, вероятно, в результате внедрения интрузий. Явления интенсивного метаморфизма связаны с двумя фазами миоценового интрузивного магматизма: вначале - внедрения гранодиоритов, а затем в позднем неогене, диоритовых порфиритов. Гранодиориты вскрыты скважинами в восточной части месторождения, а диоритовые порфириты обнаружены в центральной части.

Очаги разгрузки терм расположены на северо-восточной окраине Начикинской депрессии и приурочены к границе двух тектонических блоков, находящихся на разных гипсометрических уровнях: опущенном блоке Начинской депрессии и поднятом блоке правобережья р. Плотникова (рис. 52), Выделяются две основные зоны тектонического дробления: одна из них северозападного простирания, другая - северо-восточного. Места пересечения зон и оперяющие трещины являются основными выводящими каналами термальных вод. В зоне пересечения нарушений замерена самая высокая температура вод (84.5°С). Особенностью гидрогеологического строения данного месторождения является наличие холодных грунтовых вод, циркулирующих в четвертичных отложениях, основной поток которых направлен в сторону р. Плотникова. Эти воды оказывают значительное воздействие на температурный режим и состав термальных вод Начикинского месторождения. Породы, слагающие очаг разгрузки Начинских терм, вне зон тектонических нарушений обладают весьма слабой проницаемостью. Дебит воды вне зон тре-щиноватости очень мал (< 0,01 л/сек), тогда как в зоне трещиноватости доходит до 3.7 л/сек.

Паратунская депрессия наиболее изучена и в структурном отношении представляет собой грабен, погружающийся ступенчато на северо-восток и состоящий из нескольких тектонических блоков, сложенных риодацитами раннемиоценового возраста, среднемиоценовыми анде-зито-базальтами и туфами мощностью 1500-2000 м. По данным С.Е. Апрелкова и др. (1999) раннемиоценовая риодацитовая формация широко распространена на территории Паратунской гидротермальной системы и выполняет крупную вулкано-тектоническую депрессию, охватывающую бассейны рек Паратунка, Карымчина и Банная. Вулканогенные образования перекрываются четвертичными отложениями (алевролитами, глинами, гравийными отложениями и конгломератами), которые часто являются хорошим экраном для термальных вод (Сережников, Зимин, 1976). Наглядное представление о геологическом строении Паратунского грабена дает разрез вдоль этой структуры (рис. 53) и упрощенная геологическая карта (рис. 54). На площади широко развиты интрузивные тела (диоритового, гранодиоритового составов), часто прорывающие вулканиты. В тектоническом плане в районе широко развиты разноглубинные разломы меридионального простирания, субширотные, северо-восточные и северо-западные. Меридиональные и субширотные разломы контролируют миоценовые интрузии диоритов и гранодиоритов.

Рис. 53. Геологический разрез вдоль р. Паратунка (Сережников, Зимин, 1976). 1 — аллювий четвертичного возраста; 2 - миоценовые туффогенные песчаники и аргиллиты; 3 — миоцен-плиоценовые анедзиты и базальты; 4 — плиоценовые игнимбриты и туфы; 5 - плиоценовые субвулканические липариты; 6 - ранне-миоценовые диориты; 7 - олигоцен-миоценовые туфы; 8 - миоцен-плиоценовые туфы; 9 - разломы; 10 - группа термальных источников

Рис. 54. Геологическая карта Паратунской площади (Геологическая карта м-ба 1:200 ООО, 1965) с изменениеми автора. 1 - аллювий (С>4); 2 - имандезиты,базальты, шлаки ((З1-4); 3 - липариты N2; 4 - андезито-базальты, N1-2; 5 -осадочные породы (туфогенные песчаники, гравелиты, конгломераты) [^з-Ыь 6 - туфы, преимущественно кислого состава N1; 7 - диориты, гранодиориты N1; 8 - места опробования вод: залитый кружок-подземные воды (термальные и холодные), пустой кружок-поверхностные воды

Паратунское месторождение термальных вод (Верхнепаратунская, Среднепаратунская и Нижнепаратунская группы источников) достаточно хорошо изучено в гидрогеологическом плане до глубин 1500 м. Максимальная температура вод достигала 106°С. Воды являются напорными и характеризуются 25 м трещинно-жильным типом циркуляции. От Верхнепаратунского участка к Нижнему отмечается падение напора воды, что свидетельствует о движении термальных

860 вод в направлении к нижнему участку ии

Манухин, Ворожейкина, 1976). Водовме-щающими породами являются породы олигоцен-нижнемиоценового возраста, представленные трещиноватыми базальтами, андезитами и их туфами и относимые А.И. Сережниковым и В.М. Зи- 1400 м

МИНЫМ (1976) К нижнему структурному Рис. 55. Цитологический разрез, дебит воды и температурный режим по скважине 88 (Верхняя Паратунка). В по-ярусу (паратунская свита). Максимальная строении использованы материалы ю.Ф. Манухина, Л.А. Ворожейкиной (1976), А.И. Сережникова, В.М. Зимина (1976) водообильность приурочена к зоне контакта эффузивов и интрузивных тел (даек) диоритового, гранодиоритового состава и трещиноватым туфам (рис. 55). На Нижнепаратунском и Среднепаратунском участках четвертичные отложения являются экраном и теплоизолятором для термальных вод и водоупором для грунтовых вод. Для Верхнепаратунского и Карымшинского участков роль относительного во-доупора играют сами породы паратунской свиты.

Район характеризуется сложной геотермической обстановкой. В пределах отдельных скважин температурный градиент может достигать 50-70°С/100 м. Как отмечают Ю.Ф. Манухин и Л.А. Ворожейкина (1976), для Паратунского месторождения характерно ступенчатое погружение температурного разреза от Среднепаратунского участка к Нижнепаратунскому. Изотерма 80°С на Среднепаратунском участке находится на глубине 150-200 м, а на Нижнепаратунском погружается на глубину 350-400 м. Это не согласуется с данными Ю.П. Трухина, В.В. Петровой (1976) и, как будет показано ниже, с нашими данными. Картина, скорее всего, обратная.

Согласно данным Ю.Ф. Манухина, Л.А. Ворожейкиной (1976), термальные воды чутко реагируют не только на сезонные колебания уровня поверхностных вод, но и на эпизодическое поступление атмосферных осадков. Запаздывание повышения уровня термальных вод от поверхностных, как правило, составляет 4-5 суток, при этом графики колебаний уровня термальных вод имеют более согласованный характер таковыми р. Паратунка, нежели с грунтовыми

Состав пород Дебит л/сек т°с

• • ••л Гравель 0.2 3-4 25 24 66

V /V »V /V /V/ /V /V /V /V /V Л/ Л/ /V Л/ /V Л/ /V Л/ Л/ ^ 1 ё" в § о. еа 1

Л/ Л/ Л/ ?

N8 + + + + + Диориты

АЛА

А А А А А А А А А А А шыы, андезиты и их туфы 7.0

АА А А А А А А Я м 67 водами. Любопытно, что для Верхнепаратунского и Среднепаратунского участков температурный режим термальных вод оставался практически неизменным на протяжении нескольких лет.

3.2.2. Химический состав термальных вод

Паратунская гидротермальная система, является хорошо изученной, как в гидрогеологическом, так и гидрогеохимическом плане. Крупнейшим обобщением по составу вод этой системы являются работы Ю.Ф. Манухина, Л.А. Ворожейкиной (1976, С.И. Набоко (1980), В.И. Кононова (1982, 1983). В то же время рассматриваемый спектр химических элементов был достаточно ограничен; как правило, это касалось основных ионов и небольшой группы микроэлементов. Впервые данные по широкому спектру химических элементов, включая микроэлементы и редкоземельные элементы, были опубликованы нами (С1ш(1аеу et а1., 1998; Чудаев, Чудаева и др., 2000).

Как было отмечено выше, термальные воды Паратунского месторождения принадлежат к группе азотных щелочных термальных вод. На диаграмме Пайпера эти воды занимают вполне определенные поля; среди анионов преобладает сульфат-ион, а среди катионов — натрий (рис. 56). В построении диаграммы использовано более 30 анализов по Паратунской гидротермальной системе (Чудаев и др., 2000), табл. 14. На диаграмму нанесены также составы грунтовой воды и средние данные по дождевой воде, взятые из работы В.П. Зверева (1968). Интересно отметить, что состав дождевой воды значительно отличается от такового, полученного нами для Приморья. Во - первых, значительно выше уровень минерализации -65.2 мг/л (в Приморье < 20 мг/л). Во- вторых, в камчатских дождях среди анионов преобладает сульфат-ион, а в приморских -гидрокарбонат-ион. Наконец, в камчатских дождях доля кальция больше, чем в приморских, хотя те и другие находятся в поле щелочных (ТЧа + К) вод. Указанное различие вполне объяснимо, если учесть существенное влияние на состав атмосферных осадков продуктов газогидротермальной деятельности вулканов Камчатки. Следует также отметить, что воды р. Поперечная (приток р. Паратунка) которые не подвержены влиянию термальных источников р. Па-ратунка имеют НС03-Са состав вод (С1шс1аеуа, СЬиёаеу et а1., 1999).

Библиография Диссертация по наукам о земле, доктора геолого-минералогических наук, Чудаев, Олег Васильевич, Владивосток

1. О Поверхностные воды Узон-Гейзерного района (Чудаев и др.,2000)

2. Разброс значений кислорода и водорода для неизмененных пород месторождения Вайракей (Giggenbach, 1991)

3. Рис. 102. Соотношение изотопов кислорода* и водорода в изученных районах в сравнении с гидротермальными системами мира. * Из существующего банка данных использованы максимальные значения 5180 для каждого района1. Smow1. УС Вайракей ь—.—л ^^^

4. Приморье (термальные воды) Приморье углекислые (холодные) воды Д / ^ГЛордерелло ^ Исландия (Хекла)1. Малки Апачинские термы1. Стимвот4.-^ Йеллоустонский парк

5. ХИМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ИЗУЧЕННЫХ ВОД

6. На рис. 105 показано соотношение анионов в изученных водах и основные парагенезисы вторичных минералов. Начнем рассмотрение с терм Камчатки, где гидротермальные изменения пород проявлены наиболее ярко.

7. Рис. 105. Соотношение основных анионов в изученных водах и основные парагенезисы вторичных минералов. Цифрами указана температура вод, рассчитанная по кварцевому геотермометру