Бесплатный автореферат и диссертация по геологии на тему

Кольцевые структуры как индикатор глубинного строения современных гидротермальных систем Камчатки

ВАК РФ 04.00.01, Общая и региональная геология

Автореферат диссертации по теме "Кольцевые структуры как индикатор глубинного строения современных гидротермальных систем Камчатки"

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК

Дальневосточное отделение Дальневосточный геологический институт

Р Г 6 О Д пРавах рукописи

Л - УДК 551.24+551.4

2 2 СЕН НИ

Делемень Иван Фёдорович

КОЛЬЦЕВЫЕ СТРУКТУРЫ КАК ИНДИКАТОРЫ

ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ КАМЧАТКИ

Специальность: 04.00.01 - общая и региональная геология

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук

г. Владивосток 1998

Работа выполнена в Институте вулканологии Дальневосточного отделения Российской Академии Наук.

Научный руководитель: доктор геолого-минералогических наук, академик РАЕН Г.А.Карпов (Институт вулканологии ДВО РАН)

Официальные оппоненты:

доктор геолого-минералогических наук Ю.А.Мартынов

(Дальневосточный геологический институт ДВО РАН)

кандидат геолого-минералогических наук А.А.Гаврилов

(Тихоокеанский институт географии ДВО РАН)

Ведущая организация: Институт вулканической геологии и геохимии ДВО РАН (ИГВГиГДВО РАН)

Защита диссертации состоится в Ю "14" октября 1998 г. на заседании Диссертационного совета К.003.54.01 по защите диссертации на соискание учёной степени кандидата геолого-минералогических наук по специальности "Общая и региональная геология" при Дальневосточном геологическом институте ДВО РАН.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ДВГИ ДВО РАН.

Отзывы, заверенные печатью учреждения, просим направлять в двух экземплярах по адресу: 690022, г. Владивосток-22, проспект 100 лет Владивостоку, 159. Дальневосточный геологический институт ДВО РАН, учёному секретарю Диссертационного совета А.М.Попову.

Автореферат разослан ".

дЬ/СПА^Ц 1998 г.

Учёный секретарь Диссертационного совета, кандидат геолого-минералогических наук

ВВЕДЕШТЕ

Актуальность проблемы. Перспективы обнаружения новых термальных ресурсов вязываются с поиском их на глубоких горизонтах гидротермальных систем. Кольце-ые структуры позволяют оценить глубинное строение этих систем, что оптимизирует оиск термальных ресурсов, прогноз оруденения, выбор мест безопасного захоронения тходов и обеспечение безопасности строительства в вулканических районах.

Основные цели н задачи исследопання. Цель работы - выявление индикационных ависимостей между параметрами осесимметричного структурообразования на современ-ых гидротермальных системах и их глубинным строением. Для этого решались задачи: ыявление основных закономерностей связи кольцевых структур и строения гидротермаль-ых резервуаров; разработка метода индикации их строения по кольцевым структурам, его пробация на выбранных эталонных системах и оценка работоспособности на примере идротермальной системе кальдеры Узон (Камчатка).

Объекты исследований: гидротермальные системы Мутновская, Паужетская и истема кальдеры Узон. Использованы также результаты исследований автора на улканоструктурах, рудных месторождениях и кольцевых структурах Камчатки и дру-их регионов (Караобинская кольцевая структура, Прибалхашье; Авачинско-Корякская руппа вулканов, Камчатка и т.д.).

Научная новизна работы. Разработано новое направление в изучении современных идротермальных систем вулканических районов: индикация строения гидротермальных истем по кольцевым структурам. Создана методика такого анализа. Впервые осуществле-1а трехмерная реконструкция глубинного строения современных гидротермальных систем !амчатки. Определены факторы структурного контроля гидротермальных систем, уточнены [екоторые особенности структуры и геодинамики региона. Выявлены неизвестные ранее чеханизмы влияния тепломассопереноса на подготовку катастрофических гравитационных |брушений вулканических построек.

Методы исследования: дешифрирование космо- и аэрофотоснимков, компьютср-юе и аналоговое моделирование, методы структурной геологии и геоморфологии, вул-:анологии, тематическое картографирование. Разработаны методика и алгоритм (час-ично реализованный в виде программных модулей на языках и Фортран-77) инди-:ации строения гидротермальных систем.

Достоверность научных положений и рекомендаций подтверждается ;ходимостью модельных и наблюдаемых данных.

Практическая значимость работы: обоснован "Способ прогноза геотермальных мес-орождений"; получен патент на "Способ захоронения жидких радиоактивных и других хи-лически вредных жидких отходов"; выбраны оптимальные точки для установки пунктов мо-1иторинга деформаций на Петропавловском геодинамическом полигоне; выданы рекомен-1ации по безопасному размещению ряда ответственных строящихся промышленных объек-ов Камчатской области; изучена опасность катастрофического обрушения вулкана Коряк-:кий; уточнены факторы структурного контроля оруденения на некоторых эпитермальных месторождениях Камчатки; выполнено информационное обеспечение информационно-ис-:ледовательской автоматизированной системы "Геотермальные месторождения Камчатки 1 Курильских островов", разработанной в Лаборатории тепломассопереноса Института вул-:анологии ДВО РАН при участии автора. Эти работы выполнялись по заказам Администра-(ии Камчатской области, а также АО "КамчатТИСИЗ", ТОО "Камчатгеология", ЧП "Шатер", ■1П "Дальавиасервис", АО "Тревожное Зарево" и АО "Наука". {атищаемые положения:

1. Кольцевые структуры являются следствием действия эндогенных факторов, :вязанных с тепломассопереносом и (в зависимости от их иерархического ранга) конт-юлируют размещение геотермальных районов, отдельных гидротермальных систем, их >лементов (пламбинги) и локальных термальных струй (глава 1).

2. В условиях гетерогенности строения резервуаров гидротермальных систем, три низкой проницаемости перекрывающих и подстилающих резервуар пород, решаю-цим структурным фактором формирования пространственной структуры конвектив-

ных систем являются радиально-концентрические трещинные зоны очагового типа на высоко- и среднетепературных гидротермальных системах, и узлы пересечения региональной тектонической трещиноватости - в пределах низкотемпературных (глава 2).

3. При значительной роли линейных региональных тектонических структур, в строении высоко- и среднетемпературных гидротермальных систем доминантными являются осесимметричные структуры, которые в значительной мере определяют геометрию проницаемых зон, по которым осуществляется тепломассоперенос на этих системах (глава 3).

4. Существующие наработки в теории кольцевых структур позволяют по внешним их признакам решить, с известной долей вероятности, обратную задачу в соотношении "причина - следствие" (процесс - отклик), получив таким образом модель глубинного строения гидротермальной системы, как совокупность источников деформации и связанных с ними проницаемых зон. (глава 4).

5. Обилие в кальдере Узон воронок фреатическнх взрывов и кольцевых структур гидротермального происхождения обусловлено отсутствием первичного кэпрока, коль-матацией пород гидротермального резервуара и значительным количеством локальных источников деформаций в недрах гидротермальной системы (глава 5).

Апробация работы. Результаты исследований представлялись на Всесоюзных вулканологических совещаниях (1985, 1991 г.г.); V Камчатской геологической конференции (1983г.); VII Всесоюзном палеовулканологическом симпозиуме (1986 г.); XII Совещании по подземным водам Сибири и Дальнего Востока (1988); Международном совещании по древнему, вулканизму (Канберра, Австралия, 1994 г.); 8-м Международном Симпозиуме по взаимодействию "вода-порода" (Владивосток, 1995); Международном Юбилейном Вулканологическом Рабочем Совещании к 50-летию извержения Шова-Шинзан (Япония); 5-й Международной конференции по тектонике плит, 22-25 ноября 1995 г., Москва; Международном симпозиуме по сейсмостойкому строительству на урбанизированных территориях (Петропавловск-Камчатский, 1996); Всероссийском совещании "Гранитоидные вулкано-плутоничес-кие ассоциации: петрология, геодинамика, металлогения (Сыктывкар, 1997); конференции "Науки о Земле на пороге XXI века" (1998) и на других представительных научных форумах.

Публикации. Опубликовано более 30 работ, в том числе 2 коллективных монографии. Кроме того, диссертационная работа положена в основу авторской монографии "Кольцевые структуры современных гидротермальных систем", включенной в план издательства "Дальнаука" на 1999 г. Результаты прикладных исследований изложены также в 35 отчетах по договорным и госбюджетным тематикам.

Фактическая основа работы. Работа является результатом исследований автора на гидротермальных системах Курило-Камчатского региона (Институт вулканологии ДВО РАН), Для характеристики аналогов надочаговых зон вулканов привлечены результаты работ. выполненных в 1977-1980 г.г. при изучении строения надинтрузивных зон Прибалхашья (Караобинская ГРП, ПГО "Центрказгеология"), Исследования были начаты в рамках программы ТМК "Прикладная геотермия" ИВ ДВО АН СССР по теме N 426, занявшей в 1989 г. второе место на конкурсе Президиума АН СССР для естественнонаучных проектов. В дальнейшем работы выполнялись по программам проектов РФФИ N.93-05-8222 (1993-1995 г.г.) "Исследование методами математического моделирования зарождения и эволюции магматических очагов, питающих систем и округлых каналов вулканов" и N.96-05-66243 (1996-1998) "Моделирование нестационарных процессов, происходящих в малоглубинных магматических очагах. Эволюция малоглубинных вулканических очагов и надочаговых зон" (руководитель - академик РАН САФедотов); №97-05-96613 (1997-1999) "Экспериментальные и теоретические исследования механики оползневых процессов на основе комплексной оценки нестационарного температурного и динамических (прочностного, структурного и гидравлического) полей в условиях сейсмических и вулканических воздействий региона Камчатки" (руководитель -д.г.-м.н., к.т.н. Б.И.Кулачкин) и №97-05-96556 (1997-1999) "Трехмерное компьютерное моделирование условий локализации процессов потери устойчивости склонов на городских территориях, расположенных в областях современной эндогенной активности (в связи с проблемой прогноза оползней и вторичной сейсмической опасности для городских и промышленных центров Камчатки)" (руководитель - И.Ф.Делемень). Ис-

юльзовались также архивные материалы Камчатского, Сахалинского, Центрально-Казах-:танского ТГФ, ИВ ДВО РАН, АО "КамчатТИСИЗ", ГП "Мутновка" и АО Тепло Земли".

Структура и объем работы. Текст состоит из Введения, пяти глав, Заключения, ¡писка литературы, 2 текстовых и графических приложений. Объем работы 120 стра-1иц машинописного текста, иллюстрируемого 46 рисунками и 8 таблицами.

Терминология, используемая в работе, сведена в таблицу. В частности, под ринго-иентом понимается любое неслучайное дуговидное или осесимметричное (имеющее ось мшметрии) сочетание индикационных ландшафтных элементов. Кольцевая структура -зингомент, расположение элементов которого контролируется структурными особен--юстями земной коры. Очаговая кольцевая структура расположена над источником деформаций (очагом), центр кривизны которого является фокусом (по Б.В. Ежову) или ги-юцентром структуры. Проекция гипоцентра на поверхности - эпицентр или центр :труктуры. Паттерн - структурно обусловленное пространственное сочетание линеа-чентов и рингометров. Гидротермальная система - система конвективного водного теп-юмассопереноса в недрах Земли; эти системы подразделяются на стационарные - длительно существующие, и эфемерные - кратковременные. Пламбинг - трубообразная суб-эсртикальная зона повышенной проницаемости, по которой осуществляется подъём термальных вод к дневной поверхности. Гидротермальный резервуар - наиболее пронимаемая часть гидротермальной системы, в которой циркулируют термальные воды; бэд-оок и кэпрок - соответственно подстилающая и перекрывающая резервуар толщи непроницаемых или слабопроницаемых пород. Принятые сокращения: ГТС - современная гидротермальная система; ВГР - высокотемпературный гидротермальный резервуар; ГТР - геотермальный район; КС - кольцевая структура, D - диаметр, Н - глубина.

Постановка темы и научное руководство работ на первом этапе исследований осуществлялись рано ушедшим из жизни докт. геол.-мин.наук М.М.Василевским. В дальнейшем работа проводилась под руководством докг.геол.-мин:наук, академика РАЕН Г.А Карпова. Лучшему пониманию под-1ятых проблем способствовало обсуждение с академиком РАН С. А.Федотовым вопросов соотноше--1ия вулканизма и структурогенеза, с И.С.Уткиным - анализа изображений и моделирования, с докт. еол -мин.наук А.В.Кирюхиным - конвективного тепломассопереноса, с канд.геол.-мин. наук Г.И Ано-:овым - геофизических аспектов структурообразования, с канд.геол.-мин.наук В.М.Округиным и АИ. Байковым - соотношения кольцевых структур и оруденения, с канд. геол.-мин. наук И.Б.Словцовым -гидротермального минералообразования и с докт.геол.-мин.наук И.В.Мелекесцевым - вулканизма и зельефообразования. Помощь в работе оказывалась коллегами В.И Андреевым, В.АВоронковым, Е. Н.Гриб, О.Н.Егоровым, Т.Г.Константиновой, Ю.Д.Кузьминым, В.Л.Леоновым, С.Н.Рыч'аговым, Б.И.Са-мойленко, Н.И.Самыловым, Ю.М.Стефановым, Л.И.Уткиной, Е.А.Федотовой и Г.Г.Храмовой. Отдельные вопросы обсуждались с С.В.Беловым, Е.АВакиным, В.АДрозниным, С.Н.Жатнуевым, В.Н.Зон-говым, ААИглиным, АБ.Исаковым, Л.АКазьминым, H.H.Кожемякой, Г.П.Королевой, В.Л.Ладыгиным, Е.К.Мархининым, С.И.Набоко, АБ.Осипенко, В.ДПампурой, И.Д.Петренко, Г.Ф.Пилипенко, В.А. Полетаевым, Е.О.Путинцевым, Г.П.Сандимировой, В.АСахно, Н.И.Селиверстовым, АЕ.Святловским, В.Н.Сергеевым, В.Л.Сывороткиным, А.И.Таракановым, Ю.П.Трухиным, С.М.Фазлуллиным, Ю.АФи-пипповым, Т.И.Фроловой, А.И. Цюрупой и Г.П.Яроцким. Большую помощь в создании компьютерного программного обеспечения оказали Г.М.Бахтиарова, Д.Н.Гусев, Д.В.Дрознин и М.Г.Журавлев, в моделировании - В.П.Осипов, Е. АЖуравлёва и В.АВоронков, в информационном и техническом обеспечении - Н.К.Гаврилова, Л.П. Игнатенко, А ДЧернявская, С.В.Коренева и АЛ.Самойленко. Всем перечисленным лицам автор выражает глубокую благодарность. Автор особо признателен В.И.Белоу-сову за его постоянное внимание к научному становлению диссертанта.

Состояние изученности проблемы

Впервые понятие "кольцевая структура" появилось в 1904 г. в работах А. Харке-ра, посвящённых интрузивным и кальдерным комплексам центрального типа. Сейчас это классическое направление представлено в работах А.В.Авдеева, Е.Бейли, С.В.Белова, Ч.Клафа, Дж.У.Тиррела, Е.В.Свешниковой, А.А.Фролова, JI-Н.Шарпенок, Г.П.Шахова, И.Н.Томсона, М.А.Фаворской. Начиная с работ Де-Гольера (1924 г.), изучается осесимметричная структура геофизических полей (О.Б.Гинтов, Г.И.Мартынова). Исследования Г.З.Поповой, а затем В.В.Соловьева и Дж.Саула дали импульс изучению в 70-е годы морфоструктур центрального типа (И.К.Волчанская, И.Т.Кочнева, В.В.Юш-

манов и др.)- Выявлены КС различных иерархических уровней (В.А.Буш, М.М.Василевский, Б.В.Ежов, В.Н.Брюханов, С. Н.Рычагов и др.). Усовершенствованы дистанционные методы выявления КС (В.И.Макаров, Б.В.Сенин, Н.А.Гусев и др.). Разрабатаны компьютерные (Н.В.Наумова, В.П.Пяткин и др.) и оптоэлектронные методы выявления КС (Л.Л.Янутш и др.). В последние годы в МГУ (Москва) и ТИГ (Владивосток) разрабатываются вопросы использования ГИС-технологий, в том числе для картографирования кальдер. Изучаются пространственные взаимоотношения структур (Н.П.Митрофанов и др.). Общепризнаны взгляды о их полигенности (работы Е.С.Кутейникова и Н.С.Кутейиик-овой, С.М.Тащи и др.). Рассматриваются вопросы симметрии и их соотношения с линейными структурами (В.В.Соловьев, Р.Ф. Черкасов), иерархических соотношений (А.А.Гаврилов) и т.д. Изучается рудоносность структур (О.М.Борисов, И.Н. Томсон, Г.А.Карпов, В.В.Середин, Н.Л.Шилин и др.), геохимия и минералогия гидротермальных систем, расположенных в вулканоструктурах Курило-Камчатского региона (В.С.Знаменский, В.И.Кононов, А.Д.Коробов, В.Д.Пампура и др.).

На Камчатке первые КС были показаны в 1975 г. В.В.Соловьевым на составленной им карте МЦТ территории СССР в м-бе 1:10000000. Последующие исследования этих структур в регионе связаны с именами М.М.Василевского, А.Б.Исакова, А.И.Бай-кова, С.Е.Апрелкова, Б.В.Ежова, Ф.Ш.Кутыева. Е.А.Лоншакова, В.В.Оточкина. B.C. Шеймовича. С 70-х годов появились публикации по кольцевым структурам современных гидротермальных систем (работы В.И.Белоусова, Д.Уайта), в последние годы это направление развивается в работах О.Н.Егорова, В.Л.Леонова, А.А.Ищенко, И.Д.Петренко и др. Ярким примером связи КС и зон разгрузки термальных вод являются карты ГТР Флегрейских полей (Италия), Йеллоусгон (США), Узон (Россия), Таупо (Новая Зеландия) и ГТС Японии. Хорошо изучена сопряжённость КС с кальдерами, центрами эндогенной активности и дизъюнктивными узлами. Г. А.Туговик и Д.Хеденквист показали важное значение кольцевых флюидно-эксплозивных структур в развитии ГТС.

Хотя происхождение КС изучалось ещё в работах Дж. У.Тиррела, И.М.Андерсона, Л.М.Плотникова и А.И.Петрова, но только с 70-х годов появились полигенетические модели КС (Н.Г.Житков), проводится их моделирование (В.В. Богацкий, С.М.Тащи, И.В.Лучицкий, П.М. Бондаренко, X. Коиде, С.Бхаттачарджи, С.Шлейфер и др.). Изучаются фрактальность и самоорганизация структурообразования (Е.А.Мясников, С.С.Быстреевская, С.Д. Шлемченко, Р.Ф.Черкасов, Г.Г.Бунин и др.). Развивая идеи Ре-лея, Дж.Факка и Ф.Тонани разработали модель шестигранных конвективных ячеек конвективного тепломассопереноса в однородном пористом ГТР. Рассматрены гидрогеотермические условия вулканических систем в зависимости от радиального расстояния их от магматического очага (А. В.Кирюхин и др.). Дана оценка геотермальных ресурсов в вулканических центрах и куполыго-кольцевых структурах (Ю.П.Масуренков и др.). Разработаны модели формирования концентрически-зональных региональных ме-таморфо-метасоматических систем. И.Б.Словцов показал наличие осевой симметрии в зонах гидротермальных изменений, связанных с потоками теплоносителя в гидротермальном резервуаре. Созданы методы диагностики высокотемпературных ВГР и идентификации потоков теплоносителя, что позволяет приблизиться к построению трехмерных моделей кольцевых структур на ГТС. Составлены карты КС различных регионов мира и России. Опубликован ряд фундаментальных и обобщающих работ по данной теме, в том числе зарегистрированы научные открытия. Сейчас уже сформировалось несколько школ исследователей КС, крупнейшими из которых в СНГ являются петербургская (В.В.Соловьев, Е.С.Кутейников и др.), дальневосточная (Б.В.Ежов, А.П.Кулаков и др.), московская (В.А.Буш, Я.Г.Кац и др.), сибирская (П.М.Бондаренко и др.), украинская (О.Б.Гинтов и др.), центральноазиатская (О.М.Борисов, А.К.Глух). Создана Ассоциация исследователей кольцевых структур. Сформировалась теория кольцевых структур Земли, как новое междисциплинарное направлении в геологии.

Фактическое создание теории кольцевых структур позволяет перейти к решению задач индикации строения недр и протекающих в них процессов по кольцевым структурам. КС легко поддаются формализации с использованием цилиндрической системы координат, что позволяет эффективно использовать методы компьютерной обработки

информации. Создание теории очаговых КС (И.Н.Томсон, В.К.Попов, В.М.Зимин и др.) является основой для изучения парагенетических соотношений между процессами осесимметричного структурообразования и тепломассопереноса. Хотя прямые задачи теории КС Земли (соотношение "параметры процесса - параметры КС") хорошо изучены, решение обратных индикационных задач - дело будущего. Во многих работах (Б.В. Ежов, С.Н.Рычагов, Б.А.Буш и др.) рассматриваются некоторые аспекты этой проблемы. но целенаправленные исследования только начаты. В качестве примеров в диссертации приводится использование К.Р.Бэконом данных по пространственному сочетанию жерловин кислых вулканитов для индикации больших коровых магматических камер, и работы К.Накамуры по анализу симметрии и пространственного распределения вулканоструктур для индикации полей напряжений. Сделан вывод, что состояние изученности проблемы позволяет перейти к разработке методов индикации стро-ения недр планеты по кольцевым структурам.

Глава 1

КОЛЬЦЕВЫЕ СТРУКТУРЫ И СОВРЕМЕННЫЕ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ КАМЧАТКИ

Защищаемое положение; Кольцевые структуры являются следствием действия эндогенных факторов, связанных с тепломассопереносом а (в зависимости от их иерархического ранга) контролируют размещение геотермальных районов, отдельных гидротермальных систем, их цементов (/шамбинги) и локальных термальные струй.

Основным классификационным признаком кольцевых структур ГТС служит их диаметр, по этому параметру все структуры подразделены на несколько размерных классов. Кольцевые структуры на гидротермальных системах разномасштабны и поли-генны. Преобладают структуры магматического (надинтрузивные КС, кольцевые и конические дайки), вулканического (кальдерные, жерловые, экструзивно-субвулканические КС) и вулкано-тектонического происхождения (КС вулкано-тектонических депрессий, мульд и куполов). Выделен новый, не рассматривавшийся ранее класс кольцевых структур - гидротермальные КС. Наиболее часто встречаются кольцевые структуры пламбингов и структуры, связанные с термальными куполами, плюмами, конденсатны-ми воронками, паровыми резервуарами, а также КС гидротермальных взрывов, локальной разгрузки гидротерм и гидротермальные штокверки. Показано, что региональный контроль ГТС определяется тектоническими и вулкано-тектоническими, а локальный -магматогенными, вулканическими и гидротермальными КС. На ГТС образуются и экзогенные структуры, контролирующие разгрузку термальных вод.

Мегаструктурам Ш,™.,,, >0 > 100 км) соответствуют геотермальные пояса, приуроченные к крупнейшим планетарным тектонически активным зонам. Обращается внимание на роль пульсационных процессов в формировании таких КС (нормальные, крутильные и тессеральные вязко-упругие колебания). Курило-Камчатская геотермальная провинция - часть Восточно-Азиатского геотермального пояса. Современные ГТС локализованы здесь в дуговидной зоне, ограничивающей с востока выделенную ранее Б.В.Ежовым Урало-Охотскую кольцевую структуру. Показано, что термопроявления трассируют внешний её концентр по всему контуру (в т.ч. низкотемпературные источники Урала, Приуралья, Колымского края и Чукотки). По данным анализа геометрии магмоконтролирующей сейсмофокальной зоны Курило-Камчатского сектора этой структуры (П.П.Токарев, 1969), она имеет форму прямого кругового конуса с вершиной, расположенной близ центра планеты. В главе показана приуроченность к таким структурам интрателлурических флюидных потоков, которые в геотермальных провинциях определяют тепловое питание зон магмогенерации.

Мезосгруктуры (100 км >П > 10 км) определяют структурный контроль геотермальных районов, полей и собственно гидротермальных систем. Наложение нескольких полигенетических, разновременных и разномасштабных КС приводит к сложным соот-

ношениям структур между собой и нередко затушевывает реальную связь их с гидротермальными системами. Взаимодействие различных источников деформаций приводит к интерференционным явлениям в распределении деформаций и проницаемости. Сделан вывод, что методически неверно связывать какую-либо ГТС только с одной КС.

Рис. 1. Связь крупных вулкано-тектонических КС. контролирующих размещение геотермальных районов Камчатки,

с очагами магмогенерации в сейсмофокальной зоне.

1 - верхняя мантия; 2 - зона Заварицкого-Беньофа-Вадати; 3 - земная кора (вертикальной штриховкой показан осадочный слой); 4 - разрывы и разломы вулкано-тек-тонического происхождения; 5 - очаговая зона магмогенерации; 6 - зона подъема магм и питающих магматических колонн вулканов; 7 - КС вулкано-тектонического генезиса; 8 - современные вулканические сооружения; 9 - аккреционная призма и разломы фронтальной части островной дуги; 10 - акватория Тихого океана. Стрелками показаны относительные движения плит.

На конкретных примерах обоснован вывод, что центрам таких КС соответствуют эпицентры источников теплового питания и/или деформаций, определяющих размещение флюидопроницаемых зон, вследствие чего Восточно-Камчатская, Голыгинская и Карагинско-Корфская дуговидные структуры определяют дуговидное расположение почти всех ГТС Камчатки. Геотермальные районы располагаются в местах наложения дуговидных зон растяжения со взбросо- и сбросо-сдвигами. параллельными простиранию Восточно-Камчатского и Срединно-Камчатского вулканических поясов, и локализованы в узлах пересечения их с долгоживущими поперечными разломами. К кольцевой структуре Срединного массива Камчатки приурочены ГТС с высоким содержанием СО:, а гигантские КС, обрамляющие сооружения раннеплейстоценовых щитовых вулканов Палеоключевской и Большая Ипелька, контролируют региональные тренды относительного содержания хлора в термальных водах. Наблюдается также пространственная корреляция ряда параметров гидротермальных систем (например, регионального тренда содержаний в термах кремнезёма) с размещением систем относительно Центрально-Камчатской КС. Сделан вывод, что наличие такой связи может служить индикатором не только региональных термодинамических и физико-химических вариаций параметров конвективного тепломассопереноса, но и вариаций состава литосферы (в т.ч. изменения состава магм и глубинных газовых потоков). Это подтверждается результатами выполненных автором газовых съёмок (Не, Н? и Вл) на ряде ГТС Камчатки. Большая часть газовых аномалий связана с КС, формирование которых обусловлено многократными внедрениями магм на протяжении длительных отрезков времени в пределах одних и тех же изометричных ареалов, совпадающих с границами геотермальных районов. Такие структуры являются проекцией на дневную поверхность субизомет-ричных (О - 30 км) зон магмосбора в астеносфере (рис.1). В главе показано, что локальные кольцевые структуры, контролирующие ГТС, представлены положительными купольными (Паратунский ГТР) или сводовыми вулкано-тектоническими структурами, нередко с крупной вершинной депрессией, осложнённой кальдерой (Узон-Гейзерный

ГТР), либо же вулкано-тектоническими (Паужетско-Кошелевский и Мутиовекий ГТР). Отрицательные депрессионные и кальдерные структуры (Узонская, Опалинская, Запад-но-Кошелевская) являются элементами строения более крупных сводовых структур. Иногда ГТР расположены в пределах крупных гигантских кальдер (Ксудач) или вулка-но-тектонических депрессий (Паужетская), где термопроявления располагаются в центре КС, а зона разгрузки может быть вытянута вдоль секущего разлома (Тепловская депрессия). Для кольцевых тектонических депрессий характерно расположение ГТС вдоль их обрамления. Сделан вывод, что при радиальном или концентрическом распределении термопроявлений под центром контролирующей их КС располагается наиболее глубоко погруженная часть ВГР, т.е. эти структуры являются индикаторами латерального расположения источников теплового питания ГТС.

Особое внимание уделено автором парагенетическим соотношениям кольцевых структур и эфемерных ГТС стратовулканов. Это радиально-концентрические (обычно экструзивно-субвулканические) системы проницаемых зон в прикратерной области и в местах скопления внедрившегося в постройку магматического материала, где существование конвективного тепломассопереноса вызвано нагревом вадозных вод фума-рольными газами или остывающей магмой (вулканы Авачинско-Корякской группы, Шевелуч на Камчатке; Чокай, Ятсугатаке в Японии; Хаос-Крагс в США и т.д.). Известно, что развитие таких ГТС приводит к зарождению обвалов крупных секторов конуса (со схождением катастрофический сухой каменной лавины и гигантским взрывом постройки). Внедрение магмы сопровождается полным испарением циркулирующих здесь вод с последующим разрушением парового резервуара. При катастрофических обрушениях происходит разгрузка термальных вод в образовавшемся амфитеатре, без последующего возобновления их запасов (например, при извержении вулкана Усу в 1477-1978 г.г.). Парагенезис эфемерной ГТС с ослабленными радиально-концентри-ческими зонами вулкана является индикатором мест подготовки таких процессов.

Отмечена большая насыщенность резервуаров стационарных ГТС постранне-плейстоценовыми магматическими телами. В разрезах скважин относительное содержание их резко возрастает с глубиной (особенно с 1.5-2.0 км). Сделан вывод о том, что эти ГТС располагаются в местах, где структурные условия и низкие расходы магмы не способствуют достижению ею дневной поверхности. В вулканической системе быстрый вынос магмы препятствует развитию стационарной водной конвективной системы вокруг питающего канала; при остановке же магмы на глубине вокруг магматического тела формируется эволюционирующая во времени (в сторону снижения температур) высокотемпературная ГТС. Это приводит к простанственному разобщению действующих гидротермальных и вулканических систем. Вулканизм и гидротермальный процесс являются двумя парагенетически взаимосвязанными формами энергетической разгрузки глубинных энергомассопотоков в недрах земли. В отличие от морфологически выраженных вулканических структур, индикаторами границ ГТС служат КС и связанные с ними концентрические зоны разгрузки термальных вод.

Макроструктуры (10 км > D > 100 м) характеризуются значительной ролью гидротермальных процессов в структурообразованин. Важнейшими из таких КС на гидротермальных системах являются пламбинги. Измеренные значения их диаметров (D = 0.5-=-1 км ± 10-20% - в структуре проницаемости среды и t-r-2 км - в температурном поле) позволили автору сделать вывод о том, что формирование пламбингов отражает процесс самоорганизации конвективных систем. На температурных разрезах индикаторами пламбингов являются куполовидные поднятия изотерм, а в плане - их изометрич-ные локальные положительные аномалии (рис. 2). Над пламбингами развиты кольцевые системы трещин и концентрически-зональные системы гидротермальных изменений пород (пламбинговые КС). На примере Мутновской и Паужетской ГТС показано, что эти КС являются индикаторами восходящих потоков термальных вод. Чем более низкотемпературная система,тем более глубоко погружена изолиния фиксированной температуры (например, 100"С).

При совместном анализе рельефа дневной поверхности и минеральных ассоциа-

Рис. 2. Пламбинг Дачного участка Мутновской ГТС.

В объеме темно-серым цветом и линиями показаны внутренняя и внешняя зоны пламбинга, в горизонтальных сечениях показаны изолинии температур (сечение смежных изолиний - 20 0 С. Стрелками показано направление течения теплоносителя (по данным А.В.Кирюхина). Блок диаграмма построена автором по данным диагностики температурного поля Дачного месторождения, выполненной А.В.Кирюхиным и Д. Н. Гусевым.

ций (данные предоставлены И.Б.Словцовым) автором выявлен новый тип кольцевых структур - КС паровых резервуаров, которые связаны с изменениями объёма в резервуарах (подразделяемых на первичные и вторичные). Первичные паровые резервуары расположены в глубоких частях ВГР и отличаются предельно высокими паросодержа-ниями термального флюида, а их образование связано с высокими Р-Т-условиями в резервуаре. Крупные первичные паровые резервуары известны на нескольких системах (Лардарелло, Италия: Гейзере,США; Хачубару, Япония). Глубокие скважины вскрывают под первичными паровыми резервуарами термальные рассолы. Показано, что при достижении критической точки воды в резервуаре формируется зона суперконвекции, нередко интерпретируемая при геофизических исследованиях, как магматический очаг. Привлечение данных по КС позволяет снять эту неопределённость. Вторичные резервуары располагаются в верхних частях ВГР; они связаны с локальными изменениями Р-Т-условий, и трассируются обычно концентрическими системами термальных плошадок с паровыми струями, конденсатными воронками и котлами. Минералогическим индикатором таких паровых резервуаров является, по И.Б.Словцову, наличие в минеральном составе гидротермально-изменённых пород прени г-вайракитовой ассоциации. Автором над вторичным паровым резервуаром Мутновской ГТС закартирована осесимметрич-ная система трещиноватости, сопряжённая с кольцевой положительной газовой аномалией1. Значительную роль в строении гидротермальных систем играют радиально-кон-центрические системы трещиноватости, сопряжённые с малыми интрузиями и экстру-зивно-субвулканическми телами. В пределах таких зон обеспечивается благоприятная для циркуляции терм высокая проницаемость за счёт образования зияющих (до 1 м) сквозных полостей выщелачивания пород и жильного материала (что наблюдалось автором в штольне, пройденной непосредственно в недрах Вилючинской ГТС). Многочисленны вулканические структуры - КС некков, жерловин, экструзий, субвулканических тел. надинтрузивных поднятий и т.д., однако преобладают структуры гидротермального происхождения (КС термальных площадок; паровых резервуаров; сосредоточенной разгрузки гидротерм; концентрические зоны минерализации; воронки и кратеры гидротермальных взрывов), а также полигенетические (гидротермально обусловленные оползни и т.д.). Кроме того, зоны разгрузки на поверхности гидротермальных систем отличаются обилием КС экзогенного происхождения - оползневых, обвальных, ледниковых, криогенных и т.д. Все перечисленные типы КС расположены не случайно и контролируется элементами строения более крупных структур. На примере термальных площадок Мутновской ГТС показано, что такие структуры могут служить индикато-

1 Съёмка Нг и Rn выполнена автором совместно с В.И.Андреевым и Ю.Д.Кузьминым. Привлечены данные температурной и газовой (ССЬ, Rn) съёмки, проведённой Е.А.Вакиным, A.M. Рожковым и АЛ.Самойленко.

рами формы и пространственной ориентации проницаемых зон. Кроме того, естественные и техногенные гидротермальные воронки взрыва играют роль скважин, доставляя на поверхность обломки пород, слагающих резервуар.

Микроструктуры (100 м > D ä 1 м) сосредоточены на термальных площадках (КС грязевых котлов, воронок, гриффонов, серных куполов, гейзеритовых щитов и т.д.). Структурными элементами строения пламбингов являются трещинные пластинообраз-ные и трубообразные зоны, а в конвективной структуре - гидротермальные струи. Индикационное значение определяется расположением их скоплений в эпицентральных зонах пламбингов и паровых резервуаров, а их цепочки трассируют разрывные нарушения и проницаемые зоны в кэпроке.

Ультрамикроструктуры. D < 1 м (паровые проколы, очень мелкие гриффоны и т.д.) встречаются только на термальных площадках. На примере Паужетской ГТС показано, что распределение этих КС является индикатором геометрии зон оседания в резервуаре и литологической неоднородности термальных площадок.

Глава 2

ОБЪЕМНОЕ ГЕОЛОГИЧЕСКОЕ СТРОЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ СТРУКТУРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЦИРКУЛЯЦИЮ ТЕПЛОНОСИТЕЛЯ НА СОВРЕМЕННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ КАМЧАТКИ

Защищаемое положение. В условиях гетерогенности строения резервуаров гидротермальных систем, при такой проницаемости перекрывающих и подстилающих резервуар пород, решающим структурным фактором формирования пространственного строения конвективных систем являются ридиально-концентрнческие трещинные зоны очагового типа на высоко- и среднетепера-турных гш)ротермалы1ых системах, и узлы пересечения региональной тектонической трещино-вапюстн - в пределах низкотемпературных.

Известно, что элементами строения гидротермальных систем являются источники теплового и водного питания, хорошо проницаемый гидротермальный резервуар, а также малопроницаемые перекрывающие (кзпрок) и подстилающие (бэдрок) резервуар породы. Ни в одной из пробуренных на ГТС Камчатки скважин (глубиной до 2.5 км) источников теплового питания не обнаружено. На основании сопоставления температурных полей со строением и геофизическими полями Мутновского, Кошелевского и Узон-Гейзерного ГТР автором выявлено закономерное расположение ГТС относительно центров базальтового вулканизма, что позволило высказать предположение о связи теплового питания геотермальных районов с изометричными зонами магмосбора в астеносфере (при поступлении в кору магматического материала и восстановленных газов). В пределах таких районов ГТС являются фактически зонами разгрузки глубинных флюидных потоков, где происходит смешение их с вадозными водами и последующий подъём к поверхности по системе сопряжённых линейных и очаговых (преимущественно надинтрузивных и экструзивно-субвулканических) осесимметричных зон проницаемости, связанных с локальными источниками деформаций. Следовательно, источники теплового питания и источники деформаций (предопределяющие распределение проницаемости) пространственно разобщены. В качестве примера показано, что на Мут-иовской ГТС источники деформаций расположены непосредственно в бэдроке системы, а распределение температур свидетельствует о нахождении источника теплового питания на некотором удалении от границ системы (предположительно, в недрах питающей магматической системы Мутновского вулкана).

Источники водного питания в работе не рассматриваются, поскольку эта проблема хорошо изучена (исследования Е.А.Вакина. A.B. Аверьева, А.В.Кирюхина и др.). Исключение сделано для условий водного питания кальдерных систем (Йеллоустон, Лонг-Велли, Узон), где зоны водного питания и циркуляции гидротерм пространственно совмещены. На примере конкретных полевых наблюдений высказано предположе-

ние, что циркуляция терм происходит в кальдерах по одним, а поступление на глубину холодных метеорных вод - по другим проницаемым зонам, чему способствует наличие здесь крупных накопителей воды - многочисленных кальдерных озёр, пространственно разобщённых по отношению к восходящим потокам терм.

Бэдрок представлен разновозрастными (K2-N1) плотными песчаниками и метаморфическими породами, реже - лавами и их туфами. Именно в бэдроке Камчатки и других регионов (Хачубару в Японии, Тонгонан и Палинпион-Пухаган на Филиппинах и т.д.) расположены апикальные зоны интрузий, с которыми связано формирование радиально-концентрических проницамеых зон в ВГР. Чаще всего кровля такой многофазной интрузии (Мутновская и Паратунская ГТС) или крупного пластового тела (Кошелевская ГТС) и является основанием резервуара; нередко интрузия располагается в ядре горстового поднятия (Кеткинская и Паужетская ГТС).

Гидротермальные резервуары Камчатки сложены породами, относящимися к миоцену-плиоцену, и представлены различными фациями вулканитов, от туфов и туфо-песчаников до лав и агломератов. Вследствие этого гидротермальные резервуары неоднородны по проницаемости, в них выделяется ряд локальных резервуаров. Наиболее крупные из них связаны с доголоценовыми аллювиальными отложениями (Мутновская ГТС), с доледниковыми (N:-Qi) жерловинами (Паратунская ГТС), или же с доголоценовыми осадками вулканических озер (Паужетская ГТС). Непременными элементами строения резервуара являются рвущие тела даек, экструзий и субвулканических тел. а ¥<1кже захороненные Вулканические аппараты и шлаковые конуса, наличие которых в разрезе сильно меняет проницаемость среды. В структурном отношении резервуары • ГТС расположены на флангах крупных вулканических сооружений.

Кэпрок сложен разновозрастными лавами, плотными туфами и игнимбритами (N1-Q.1) и разбит серией термовыводящих разрывных нарушений, но может пересекаться и несколькими пологими проницаемыми зонами. Чаще это типично для систем с преобладанием поровой проницаемости над трещинной (Паужетская ГТС или Вайракей-ская ГТС, Новая Зеландия). На других системах (Мутновская ГТС) пологие зоны имеют ограниченное распространение. Важной составляющей кэпрока являются высокопроницаемые образования (пемзы и "пемзо-шлаковые" дайки на Мутновской ГТС. песчаники и псефитовые туфы на Паужетской ГТС, выщелоченные кварц-карбо-натные жилы Войновской ГТС и т.д.). По ним происходит переток и локальная разгрузка термальных вод. На термальных полях, при значительном развитии метасоматической гре-* щиноватости и трещин гидроразрыва над паровым резервуарами, кэпрок отсутствует, ч- В кальдерах, выполненных пористыми осадками, первичный кэпрок также отсутствует, ; • 110 система сама создает кэпрок путем кольматации. В работе этот вывод продемонстрирован на примере выявленного автором (совместно с Г.А.Карповым) формирования даек и плащеобразной залежи силицитов (окремнения пород) в кальдере Узон. и, Инъективные структуры. На основании геолого-геофизических данных автором 1, построены трехмерные компьютерные модели строения ряда ГТС Камчатки и Курил

■ (Мутновская, Паужетская, Океанская, Кошелевская). Общей особенностью этих систем

■ является то, что термоконтролирующая зона наибольшей проницаемости куполовидно облекает вершину многофазной интрузии диоритов миоцен-плиоценового возраста. Выше подъём терм происходит по трубообразным зонам пересечений радиально-концентрических и линейных разрывов. Размещение пламбингов на ГТС, расположенных на эродированных вулканах (Жировской стратовулкан) определяется многочисленными жерловыми телами, а в пределах крупных грабенов и кальдер - погребенными (Паратунская ГТС) и молодыми (Узон) диатремами. Разгрузка терм на Мутновской ГТС и в Долине Гейзеров приурочена к высокопористым пемзо-шлаковым дайкам, тогда как образование кластических даек (Паужетская система) и даек гидротермальных силицитов (Узон) приводит к кольматации термовыводящих зон. Кислые экструзивно-субвулканические тела изначально весьма проницаемы (например, экструзивный купол извержения 1964 г. на влк. Шевелуч), но достаточно быстро поры в слагающих их породах заполняются новообразованными минералами, и спустя довольно быстрое время эти тела становятся локальными водоупорами локальными водоупорами (экструзии

Березовая на Паужетской системе, Белая на Узоне, Горячая на Паратунской системе, Активная на Мутновской системе). Это приводит к увеличению расхода источников на смежных с такими телами участках (обычно на пересечении кольцевых разрывов с радиальными или транзитными дизъюнктивами).

Складчатые структуры малоизучены. Предполагается (на примере Кеткинской, Малкинской и возможной Петропавловской низкотемпературных ГТС) определяющая роль в строении таких систем постскладчатой трещиноватости.

Дизъюнктивные структуры представлены преимущественно разрывными нарушениями, контролирующими размещение разнообразных проявлений вулканической и магматической деятельности, форму и соотношение структурных блоков, расположение современной и древней (например, захороненной плиоценовой палеодолины р. Фальшивой на Мутновская системе) речной сети, а также зон циркуляции гидротерм. Трехмерная форма их нередко отличается от пластинообразной (особенно в случае взаимодействия локальных источников деформации с региональными деформационными полями). Ярким примером этому может служить Мутновская ГТС, расположенная в пределах кольцевой структуры надинтрузивного типа, которая, в свою очередь, приурочена к одной из ромбообразных зон растяжения (ромбочазмов), располагающихся на участках сопряжения окончаний эшелонированных взбросо-сдвигов и входящих в систему северо-восточной зоны широкого сдвигания (Восточно-Камчатский глубинный разлом). Выполненная автором объёмная компьютерная реконструкция дизъюнктивной тектоники этой ГТС позволила выявить преобладание на поверхности системы сближенных субмеридиональных сбросов, которые с глубиной постепенно разворачиваются. приобретая на глубинах - 2 км северо-восточное простирание. Над скрытым миоцен-плиоценовым интрузивным комплексом разрывы этих и иных простираний (и различных кинематических типов) сгущаются, образуя сложную радиально-конценгри-ческую систему, слегка вытянутую на поверхности в ССВ направлении (в соответствии с простиранием субмеридиональной Северо-Мутновской вулканической зоны). Восходящие потоки термальных вод приурочены на этой системе к зонам пересечения куполовидной приконтактовой зоны повышенной проницаемости со сбросами и раздвигами надинтрузивной системы радиалъно-концентрических разрывов. Выше циркуляция вод происходит преимущественно по сети линейных и радиальиых дизъюнктивов. В качестве примера приводятся наблюдения автора в штольне, пройденной в недрах Вилючин-ской ГТС. Здесь на глубине 60 м по разрывам субмеридионального простирания в штольню разгружаются термальные воды, а в нескольких десятков метров по трещинам СВ и СЗ простирания - холодные рудничные воды.

Трудно говорить о какой-либо приуроченности термальных вод к определённому кинематическому типу разрывов. Так. по мнению В.Л.Леонова (1989), гидротермальные системы приурочены преимущественно к структурам растяжения, хотя японские исследователи неоднократно отмечали большую роль в локализации гидротерм Японии взбросовой тектоники. В главе обосновывается положение, что тип структурного контроля гидротерм предопределяется расположением их относительно источника деформаций. Непосредственно над ним при избыточным давлением в очаге разгрузка терм приурочена к сбросам, а на некотором удалении от центра - к взбросам; в структурах депрессионного типа соотношение типов проницаемых зон обратное. Анализ данных по ГТС, разбуренным глубокими (2 и более км) скважинами, позволила сделать вывод о том, что размещение систем, вмещающих неглубоко залегающие первичные паровые резервуары (Гейзере, Лардарелло и др.), контролируется протяжёнными дугообразными в плане надвигами, хотя причины такой связи не совсем ясны.

Структура проницаемости среды предопределяет пространственное строение конвективной системы. Пламбинги (см. рис. 2) контролируют приток теплоносителя с глубины (с восходящими конвективными ячейками), и располагаются на пересечении разрывов и пемзовых даек (Мутновская ГТС), разрывов и более древних гидротермальных жил (Вилючинская ГТС), двух или более разрывов, а также приурочены к трубкам взрыва и подводящим каналам взрывных воронок (Войновская ГТС), отмершим жерло-

винам (Паратунская ГТС), к центральным частям кольцевых структур (Паужетская ГТС). На низкотемпературных ГТС (Малкинская, Кеткинская, Пущинская, Южно-Бережная) имеется один пламбинг, на среднетемпературных (Больше-Банная, Паратунская, Паужетская) и высокотемпературных (Мутновская. Узон) - по 2 - 3 и более. В температурном поле они приурочены к центрам шестигранных ячеек, образованных температурными максимумами (Паужетская ГГС) или к максимумам субэллиптической формы (Мутновская ГТС). Получена значимая корреляционная зависимость между размерами, геометрией таких ячеек, мощностью резервуара и температурными условиями в нем. Это подтвержается известными в синергетике закономерностями связи между параметрами размера и формы конвективных ячеек и параметрами конвектируюшей среды. На этом основания сделан вывод, что наличие пламбингов является индикатором систем, находящихся на стационарном или регрессивном этапах развития. На ГТС, находящихся на прогрессивном этапе развития, пламбинги приобретают куполовидную форму, образуя термальный купол (ГТС вулканов Кошелева и Баранского). В зонах разгрузки поле температур пламбинга деформируется, меняя вначале угол наклона оси пламбинга, а в приповерхностной зоне приобретает грибообразную форму (плю-маж. плюм). Индикаторами таких зон являются конформные температурной аномалии тела аргиллизитов, сопровождающиеся цепочками гидротермально обусловленных оползневых цирков с термальными источниками у оснований склонов (долина р. Пау-жетка на Паужетской ГТС и левый борт р. Фальшивой у скв. 013 на Мутновской ГТС). В местах выхода на поверхность пламбингов и плюмов формируются изометричные термальные площадки. В верхней части ГТС существует сложная система зон открытой или скрытой разгрузки гидротерм, причем нередко последняя играет значительную роль (Мутновская система). Нисходящие конвективные ячейки имеют пониженную температуру теплоносителя и кислотный состав терм. Это приводит к формированию округлых в плане, трубообразных в вертикальном сечении конденсатных воронок и связанных с ними зон гидротермальных изменений (Мутновская ГТС).

Глава 3

ОСЕСИММЕТРИЧНОЕСТРУКТУРООБРАЮВАНИЕ НА СОВРЕМЕННЫХ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМАХ

Защищаемое положение■ При значительной роли линейных региональных тектонических структур,' в строении высоко- и среднетемпературных гидротермальных систем доминантными являются осесшшетричные структуры, которые в значительной мере определяют геометрию проницаемых зон, по которым осуществляется тепломассонеренос на этих системах.

В главе кратко рассмотрены существующие представления о магматических процессах структурогенеза. Особое внимание уделено проблемам кальдерообразования в связи с формированием КС на гидротермальных системах кальдерного типа, а также соотношения эфемерных ГТС и осесимметричного структурогенеза при гравитационном обрушении вулканических построек. Показано, что во взрывных кальдерах формируются уникальные (из-за отсутствия первичного кэпрока и самозапечатывания резервуара) гидротермальные системы (Йеллоустон, Ксудач, Узон). Образование мощной толши малопроницаемых игнимбритов на периферии кальдеры Горелого вулкана привело к образованию ГТС со значительной долей скрытой разгрузки (Мутновская система). Образование кальдер проседания сопровождается формированием кольцевых проницаемых систем, контролирующих разгрузку глубинных перегретых вод (Западно-Ко-шелевская кальдера), либо же средне-низкотемпературных терм (Явинская кальдера и кальдера Третьей речки). Формирование эрозиожьос кальдер обеспечивают разгрузку среднетемпературных терм (Войновская система), а в гигантских кальдерах (особенно с ярко выраженным резургентным поднятием) локализуются ГТР с многочисленными гидротермальными системами (Семячинская и Паужетская кальдеры).

Интрузивные кольцевые структуры являются типичными структурами магмати-

Рис. 3. Контроль кольцевыми структурами экструзивно-субвулканического происхождения термопроявлений в центральной части Мутновской ГТС (Дачный участок).

1 - породы экструзивной фации позднеплейстоценового экструзивно-субвулканического комплекса (дациты, риолиты, андезито-дациты); 2 - апикальная часть скрытого позднеплейстоценового экструзивно-субвулканического тела (глубина верхней кромки по геофизиче-\ ЛЙГПКК"' » ским данным 0.4-0.6 км); 3 -

кольцевые и радиальные разрывы, слагающие кольцевые структуры, ассоциирующие с экструзивно-субвулканическими телами; 4 - голоценовые туфовые, пемзовые и шлаковые дайки; 5 - апикальная часть скрытой миоценовой интрузии диоритов (глубина залегания, по данным геофизической съёмки и изучения керна скважин, 1.8-2.3 км); 6 - тектонические нарушения и направление их падения; 7 - воронки древних гидротермальных взрывов; 8 - термальные площадки, термальные источники и иные термопроявления; 9 - контуры парового резервуара (границы установлены по термобарогеофизичсским исследованиям скважин); 10 - глубокие (1.5 - 2.5 км) скважины и их номера. Обозначены термальные площадки: Активная (а), Медвежья (б), Утиная (в). АБВ - линия профилей разрезов.

ческих комплексов центрального типа. На ГТС Камчатки они почти не вскрыты. В данной главе соотношение таких структур с гидротермами рассмотрено на примере Жировской и Таловской (Камчатка) и Кара-Обинской (Казахстан) палеоГТС. Во всех случаях формируются системы радиально-концентрических проницаемых зон. Наибольшая проницаемость достигается на пересечении комплекса линейным региональным разрывом, или на участке наибольшей кривизны апикального выступа при асимметричном вертикальном сечении интрузивного тела, либо же над центральной частью такого выступа при симметричной форме его вертикального сечения. Показано, что высокотемпературные ГТС обычно приурочены к надинтрузивным зонам крупных магматических комплексов центрального типа, расположенных в депрессионных структурах коры на пересечении региональных проницаемых дуговидных или радиально-концентрических зон с линейными разломами (Мутновская, Паужетская, Кошелевская и др. системы).

В работе на примере парагенезиса термопроявлений и экструзивно-субвулканических комплексов г.Березовой (Паужетская ГТС) и г. Плоской (Мутновская ГТС, рис. 3) предложен механизм контроля зон разгрузки ГТС кольцевыми структурами экструзивно-субвулканического типа. Показано, что пространственная связь кислых экструзий и термопроявлений не является генетической, а обусловлена структурно-гидро-

динамическими особенностями систем. Сами экструзивно-субвулканические тела из-за низкой поровой проницаемости (поры, как правило, закольматированы), отличаются отсутствием выходов терм, но по периферии экструзий (в узлах пересечения кольцевых разрывов с радиальными и линейными дизъюнктивами) располагаются термопроявления, характеризующиеся наибольшим выносом тепла по сравнению с другими зонами рзгрузки терм в пределах ГТС. Именно такая пространственная сопряжённость наиболее мощных источников и кислых экструзий позволила В.В.Аверьеву (1966) сделать вывод о парагенетической связи между ними. В главе предложена новая трактовка возможных причин этого явления. При равномерном площадном распределении вертикальных проницаемых зон появление в верхней части резервуара непроницаемого тела экструзии приводит к огибанию восходящими снизу струями подошвы экструзивного тела, и дополнительные массы термальных вод устремляются к проницаемым прикон-тактовым зонам. В таких местах разгрузка терм резко возрастает пропорционально площади основания экструзии, что позволяют объяснить явление, на которое обратил внимание A.B.Кирюхин (1995): мощность Мутновской ГТС, рассчитанная по выносу тепла поверхностными источниками, примерно в два раза выше оцененной по данным моделирования тепломассопереноса в ВГР с учётом разведочных работ.

Гидротермальные процессы приводят к образованию метасоматических КС, являющихся индикаторами структуры конвективных ячеек и термобарогеохимических полей в системе. КС гидротермальной суффозии широко проявлены на термальных площадках. На основании изучения площадок Восточного и Верхнего термального полей на Паужетской ГТС, Медвежьего термального поля и Активной воронки на Мутновской ГТС, прямых наблюдений зон выщелачивания в недрах Вилючинской ГТС сделан вывод, что дефицит объема с образованием изометричных депрессий, обрамляемых кольцевыми трещинами отседания, обусловлен сдвижением массива пород над зонами интенсивного выноса вещества при гидротермальной суффозии. Показано, что эти зоны приурочены к паровым резервуарам, сейсмотектоническим трещинам и лавовым пещерам. КС гидротермальных взрывов возникают при образовании мааров, воронок фреатомагматических извержений и кратеров гидротермального взрыва при превышении в системе критического давления, соответствующего прочности пород кепрока. Такие структуры возникают естественным путем (Йеллоустонская и Узонская системы), а также при нарушении режима бурения геотермальных скважин (Мутновская система).

Гравитационные деформации определяют распределение проницаемости в приповерхностных частях конвективных систем. Показано, что дополнительное раскрытие проницаемых зон в геотермальных районах происходит при образовании региональных дуговидных структур растяжения вследствие тектонического гравитационного скольжения (по типу гигантских блоковых оползней). На пересечении таких разломов с проницаемыми зонами вулканических поясов Камчатки располагаются источники теплового питания ГТС. Гравитационное происхождение имеют также дуговидные структуры отседания флангов вулканических построек и кальдерных уступов. Здесь наиболее проницаемые зоны локализованы на окончаниях таких дуговидных зон (если вертикальный профиль кальдеры близок к гравитационному равновесию), или же в тыловых частях дуговидных зон растяжения при незавершенном формировании депресси-онной структуры (Кошелевская ГТС). На стратовулканах в тыловой части этих зон происходит разгрузка фумарол и эфемерных гидротерм (Авачинско-Корякская группа вулканов), а на щитовых вулканах вдоль них располагаются гидротермальные плам-бинги (ГТС Пуна, Килауэа, США).

В главе рассмотрены изометричные вулкано-тектонические депрессии и прогибы изостатического генезиса и описаны неизостатические кольцевые компенсационные гравитационные прогибы, образующиеся при формировании крупных вулканических построек, действующих на основание как штамп. Эти прогибы имеют вид изометрич-ных депрессий, обрамляющих сооружение (например, влк. Большая Ипелька, Ключевская и Авачинско-Корякская группы вулканов), и окраничены по внешней периферии кольцевыми же сбросами. Под штампом-постройкой расположена зона сжатия, поэтому разгрузка терм происходит по бортам депрессии. Это положение продемонстри-

ровано на примере кольцевого расположения термальных источников вокруг Авачин-ской группы вулканов и влк. Б. Ипелька.

Кратко рассмотрены склоновые процессы (в первую очередь оползнеобразование) на гидротермальных системах. На основании выявленной ранее И.В.Мелексецевым локализации оползней в зонах разгрузки терм проведена систематизация экзогенных кольцевых структур оползневого типа на Паужетской и Мутновской ГТС. Это позволило сделать вывод, что на ГТС Камчатки оползни приурочены к участкам монтмо-риллонитизации пород и к зонам локализованной или скрытой разгрузки терм. При определённых условиях КС этого типа могут рассматриваться как индикаторы скрытой разгрузки (например, .скальный оползень в долине Большой Каньон в зоне скрытой разгрузки терм у скв. 013 на Мутновской ГТС).

Значительную роль в структурной локализации гидротерм играет взаимодействие линейных и осесимметричных структурообразующих процессов. Геотермальные районы Камчатки расположены в ромбовидных зонах растяжения в пределах глубинного взбросо-сдвига Восточной Камчатки, где ВГР локализуются в кровле и на бортах горстов. Помимо классического случая чередования горстов и грабенов (что характерно. например, для структурного контроля современных гидротерм Запада США), для ГТС Камчатки обычна связь горстов с надинтрузивными поднятиями, нередко находящихся на пересечении двух смежных кольцевых депрессий. В качестве примера такой связи рассмотрена структурная приуроченность низкотемпературных термопроявлений северной периферии Авачинской бухты к Петропавловскому горсту.

Глава 4

ИНДИКАЦИЯ СТРУКТУРООБРАЗУЮЩИХ ФАКТОРОВ И ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ ГИДРОТЕРМАЛЬНЫХ СИСТЕМ ПО КОЛЬЦЕВЫМ СТРУКТУРАМ

Защищаемое положение: Существующие наработки в теории кольцевых структур позволяют по внешним их признакам решить, с известной долей вероятности, обратную задачу в соотношении "причина - следствие" (процесс - отклик), получив таким образом модель глубинного строения гидротермальной системы, как совокупность источников деформации и связанных с ними проницаемых зон.

Обращается внимание на неоднозначность трактовки кольцевых структур - изучаются площадные объекты, являющиеся двумерными срезами объёмных структур, чем вызвана необходимость многоэтапное™ выделения КС. До определения геологической природы мы можем судить о КС только лишь как об осесимметричных сочетаниях элементов строения земной коры или ландшафта (рингоментах), но не о геологических структурах. Такие сочетания могут оказаться случайным набором элементов или зрительной иллюзией (ошибка 2-го рода). Другая опасность - неполное, частичное выявление лишь некоторых структур из всей совокупности КС (ошибка 1-го рода). Во избежание таких ошибок предложена методика повышения объективности выявления КС и индикации по ним глубинного строения ГТС. При дешифрировании рингоментов значительное внимание уделено особенностям зрительного анализа изображений, т.к. неучёт их приводит к ошибкам обоих типов.

Оптимальными для выявления рингоментов могут быть исходные схемы, преобразованные в бинарные (черное-белое) трансформанты. Результирующие данные представляются в виде карт, содержащих не более 3 иерархических размерных уровней структур, состоящие не более чем из более типов 5 условных знаков. Более мелкие изображения воспринимаются зрительно лучше,чем более крупные. Поэтому при ручном анализе необходимо использовать два разномасштабных варианта одного и того же изображения. Для построения трансформант необходимо представление исходного изображения как поля (физических поле; полей концентраци; рельеф, как поле высот; АФС как поле яркостей и альбедо, и т.д.).

Рис. 4. Индикационные номограммы для определения параметров сферического источника деформации, расположенного в однородной _упругой среде и сопряжённого с кольцевой структурой._

а

ад--

«■КшгаииМш^!,

1 —___ '

и^ {пыимгтры!

Номограмма для определения глубины залегания центра (фокуса КС по Б.В.Ежову) сферического источника деформации, сопряжённого с кольцевой структурой.

По горизонтальной оси координат задаются значения радиуса кольцевой структуры (км), по вертикальной - считываются глубины залегания центра сферического источника.

Номограмма для определения глубины залегания верхней кромки сферического источника деформации, сопряжённого с кольцевой структурой.

По горизонтальной оси координат задаются значения диаметра круговой, или суммарной ширины кольцевой (или радиальных) зон растяжения (км), а по вертикальной - углы наклона маркеров угловых деформаций поверхности (террас, поверхностей выравнивания, горизонтов озёрных отложений и т.д.). Глубина залегания верхней кромки определяется по значению изолинии в точке с соответствующей координатой (Ць а)._

Диагностика (выявление) кольцевых структур заключается в отбраковке реальных структур от структур неясного происхождения, случайного кольцеобразного сочетания элементов строения поля, либо же от объектов, однозначно являющихся образованиями биотической компоненты ландшафта. Критерий отбраковки структур неясного происхождения - частичное проявление рингоментов по неполному контуру только в одном поле. Ландшафтно-биогенные рингоменты отбраковываются достаточно легко статистическими методами. На итоговую карту диагностики выносятся все рингоменты с указанием кольцевых структур и типа отбракованных рингоментов.

Идентификация кольцевых структур предусматривает определение генетического типа структуры. В главе показано, что для этой цели можно использовать уже известные и апробированные методы, хорошо разработанные в теории кольцевых структур (работы В.В.Юшманова, С.С.Шульца, В.В.Соловьёва, В.И.Макарова и др.). Большое значение для идентификации играет создание каталога эталонных паттернов КС. Например, образ экзогенной КС оползневого типа - более или менее асимметричная мор-фоструктура, расположенная у основания склона и имеющая в тыловой части серию дуговых зон растяжения или отседания, а в фронтальной части - краевые валы выпирания и даже складки.

Показано, что в радиально-концентрических паттернах очаговых КС (т.е. связанных с источниками деформаций) источнику с избыточным давлением соответствуют

паттерны с радиальным расположением зон растяжения, а с дефицитом давления - с кольцевым. Асимметрия в вертикальном сечении источника деформаций проявляется в том, что над более крутопадающими секторами очага рингоменты соответствующего сектора КС более выражены, чем над более пологими. КС с ярко выраженной горизонтальной составляющей деформации приобретают дополнительные элементы диссим-метрии. В частности, единый кольцевой контур оползневых и надвиговых КС создаётся за счёт объединения двух разнородных дуговидных зон - тыловой зоны растяжения (грабены и рвы отседания) и фронтальной зоны сжатия (валы выпирания и складчатые зоны).

Неочаговые КС (особенно гексагональные дизъюнктивные решётки) хорошо проявляются при анализе регулярности линементов и линейных тектонических зон.

Индикация структурообразующих факторов осуществляется в следующей последовательности.

Определяются процессы, для которых разработаны качественные или количественные модели структурообразования:

- строится образ типичной кольцевой структуры конкретного генетического типа; выявляются признаки отличия этих структур от структур иных типов. Её образ представляет собой паттерн элементов её строения. В работе показано, что имеющиеся экспериментальные исследования позволяют получить такие об-разы для различных типов структур. В частности, над источником деформации формируется конусовидная зона концентрации напряжений, причём у дневной поверхности проницаемые зоны при избыточном давлении в очаге сопряжены с радиальными разрывами, а при нисходящих движениях - с кольцевыми.

- изучается поверхностное и объемное строение эталонных объектов, соотношение кольцевых и структурообразующих процессов в них. При этом важно выявление соотношений между двумерным и трехмерным строением КС.

- на эталонных объектах выявляются управляющие параметры тех процессов, для определения которых имеется достаточно информации. По возможности изучаются поля палеонапряжений и/или палеодеформаций. Строится серия графиков процесс -отклик", по оси ординат которых откладываются восстанавливаемые значения параметра процесса, а по оси абсцисс - связанные с ним параметры соответствующих КС. Использование компьютеров позволяет рассматривать многомерные связи между параметрами и строить номо1раммы (рис. 4).

- по снятым с карт параметрам КС с помощью графиков и номограмм определяются параметры структурообразующих факторов и резервуара.

Возможности использования методики для решения теоретических проблем геотермии продемонстрированы в следующей главе, а использование её для решения прикладных задач изложено на примере решения вопросов, возникающих при разработке ВГР Мутновской ГТС. Индикация проницаемых зон в резервуаре по кольцевым структурам особо ценна на первом этапе исследований геотермальных полей, когда инженерные заключения (например, выбор местоположения скважин) опираются не столько на факты, сколько на гипотезы и предположения. На этапе строительства ГеоТЭС изучение КС, связанных со склоновыми процессами и экстремальными состояниями флюида, позволяет оконтурить ареалы возможных опасных процессов.

Глава 5

ИНДИКАЦИЯ ГЛУБИННОГО СТРОЕНИЯ ГИДРОТЕРМАЛЬНОЙ СИСТЕМЫ КАЛЬДЕРЫ УЗОН ПО КОЛЬЦЕВЫМ СТРУКТУРАМ

Защищаемое положение: Обилие в кальдере Узон воронок фреатических взрывов и кольцевых структур гидротермального происхождения обусловлено отсутствием первичного кзпрока,

колъматацией пород гидротермального резервуара и значительным количеством локальных источников деформаций « недрах гидротермальной системы.

В главе рассмотрена возможность использования кольцевых структур, как ин-ди-каторов глубинного строения ГТС кальдеры Узон. Для этого выполнен систематический анализ развитых здесь многочисленных разнопорядковых полигенетических структур и строения сопряжённых с ними термопроявлений.

Кольцевые структуры обвальных тел и цирков покрывают значительную площадь кальдеры, причем ими перекрываются верхнеплейстоценовые ледниковые отложения II стадии верхнеплейстоценового оледенения. В одном из блоков обвальных отложений, перекрывающих древнюю жерловину вулкана Узон, расположено Западное термальное поле; в пределах обвального тела какие-либо признаки более древней гидротермальной деятельности (гидротермальные изменения подстилающих пород) не обнаружены. Сделан вывод, что при прочих равных условиях именно развитие зон разгрузки термальных вод является триггером к обрушению склонов кальдерного уступа. Рассмотрены доказательства того, что заложение Западного термального поля произошло в постледниковое время, но после возникновения обвального цирка (т.е. в голоцене). Наличие признаков возрастных соотношений между обвально-оползневыми явлениями и гидротермальной проработкой их открывает принципиальную возможность для определения времени начала гидротермальной деятельности в западной части кальдеры (по возрасту базальных слоев почвенно-пирокластического покрова, залегающего на крупнейших из обвальных глыб).

Кольцевые структуры оползневого типа опоясываю*! кальдеру вдоль подножия кальдерного уступа. Индикатором зон разгрузки терм в таких местах является наличие развивающихся оползневых КС. Наличие их только в районе г. Красной позволило сделать вывод, что разгрузка горячих вод по ограничивающему кальдеру разлому в зоне уступа в основном отсутствует. У подножия вулканического конуса г.Красной на северном обрамлении кальдеры к оползневой зоне приурочена цепочка типичных для плам-бингов круговых зон осветления пород, что позволило сделать вывод о наличии здесь отмершей термальной зоны субширотного простирания.

Наличие в Узон-Гейзерном ГТР вулканических дуговидных структур гравитационного отседания. благодаря чему кальдера приобрела своеобразный фестончатый облик, свидетельствует о прохождении кальдерой в своём развитии этапа выработки вертикального профиля равновесия бортов кальдеры. Её восточная часть (из-за наличия крупных экструзивно-субвулканических тел) была вовлечена в процесс гравитационных движений в меньшей степени. В итоге именно здесь дуговидные зоны растяжения наиболее ярко выражены, т.к.обрушение не прошло еще все стадии своего развития. Зоны гравитационного растяжения (в отличие от таких зон в пределах сбросовых или сдвиговых швов) имеют неровные очертания с многочисленными зияющими участками. Показано, что это обусловило образование крупных каверн, являющихся одним из условий существования многочисленных гейзеров в Долине Гейзеров.

В главе рассмотрена индикационная роль других типов экзогенных кольцевых структур. Особое внимание уделено КС ледникового происхождения, как возрастным индикаторам гидротермального процесса на ГТС. Рассмотрены структурные аспекты взаимодействия гидротерм и развитых по периферии ГТС мерзлотных явлений. Показано. что криогенные КС являются индикаторами границ системы (по изотерме О °С).

На примере Трещинного источника показано, что кольцевые микроструктуры разгрузки гидротерм (водяные и грязевые котлы, проколы, грифончики и т.д.) вытягиваются в цепочки, трассирующие осевые линии локальных проницаемых зон. по которым происходит разгрузка термальных вод пламбинга Первого участка (рис. 5).

Кольцевые структуры гидротермальной суффозии и проседания. Наиболее крупная из них проявлена в зоне разгрузки Долины Гейзеров в виде котловины, нарушающей общую каньонообразную форму долины, и окаймленную кольцевой зоной мелких дуговидных разрывов и трещин. Дефицит объема рассматривается как индикатор длительного гидротермального выноса вещества из очаговой зоны КС. Аналогичные

структуры сформировались над пламбингами Узона в виде пологих впадин термальных площадок. Использование известных закономерностей мульдообразования, связанного с дефицитом объема, позволило оценить особенности строения верхних частей плам-бингов на примере Первого участка Узона. На примере оз. Банного показано, что после возникновения взрывных воронок в кальдере дальнейшее их развитие происходило путем формирования мульд проседания из-за гидротермального выноса вещества.

Выделены два типа мульд проседания - над полостями и трещинами, и над очагами проседания с повышенной поровой проницаемостью. Критерием их разделения является отношение H/D мульды. Отмечена тенденция к объединению мульд в цепочки. Расстояние между такими мульдами - функция от мощности зоны проседания.

Кольцевые структуры гидротермального взрывов - важнейший элемент строения ГТС кальдеры Узон, т.к. они контролируют пространственное распределение проницаемых зон, паровых резервуаров, пламбингов и зон разгрузки термальных вод. На основании анализа собранных автором данных по происшедшим на ГТС техногенным и естественным гидротермальным взрывам сделан вывод, что механизмы гидротермальных взрывов связаны с быстрым увеличением давления теплоносителя в системе из-за быстрого повышения температуры в нём или при снятии внешнего давления. Техногенные гидротермальные взрывы происходят при нарушении технологических режимов бурения или же при подсечении скважиной зон с экстремальными условиями в ВГР, а естественные - при достижении соответствующих условий в нём. В качестве иллюстрации сопоставлено образование воронок взрыва в кальдере Узон и взрывной воронки, образовавшейся при бурении скв.029В на Мутновской ГТС, где на поверхность были выброшены обломки пород с глубины ~ 50 м.

Формирование естественных воронок взрыва обычно объясняется мгновенным парообразованием из-за изменения водного режима в резервуаре (ГТС Новой Зеландии) или снятием литостатического давления (из-за осушения озёр при прорыве озёрных ванн). Этим можно объяснить происхождение небольших (до первых десятков метров) древних воронок взрыва в пределах западной части кальдеры Узон, и нескольких образовавшихся в последние десятилетия воронок в центральной её части. Для объяснения генезиса более крупных (первые сотни метров) воронок в главе предложен другой механизм - взрыв газовой смеси из сероводорода и воздуха. Высокое содержание H:S в термах Узона (до 310 мг/литр) позволяет достичь необходимых для детонации концентраций (4.5-45 об.%), а достижение температуры воспламенения (240 °С) вомож-но при подъёме соответствующей изотермы к близповерхностной зоне. Экстраполяция температурных измерений в скважинах (данные Г.А.Карпова) показывает, что в осевых частях пламбингов эта температура может быть достигнута на глубинах 80-110 м. Од-

Рис. 5. Кольцевые микроструктуры

разгрузки гидротерм, трассирующие проницаемые зоны в верхней части резервуара.

Цифрами обозначены порядковые номера микроструктур. Трассируемая ими проницаемые зоны являются частью радиально - концентрической системы трещин вокруг одной из древних воронок гидротермального взрыва, вкоторой сейчас расположенное одно из термальных озёр кальдеры.

нако взрыв сероводорода может произойти только при смешении его с кислородом, зона же аэрации расположена здесь на глубинах не более 20 - 40 м (при глубинах озёр в таких воронках от 30 до 35 м). Следовательно, взрыв возможен либо при внезапном повышении температуры (например, из-за поступления магмы в приповерхностные уровни), либо же при опускании зоны аэрации. Что касается первого условия, то рассмотрены признаки небольшого феатомагматического извержения на Первом участке системы в позднем голоцене. Второе условие достигается в периоды снеготаяния, паводков и сильных дождей, когда в резервуар поступает большое количество насыщенных кислородом метеорных вод. Ещё одно необходимое условие - наличие кэпрока, что важно для накопления газовой смеси. На Узоне это условие выполняется на участках площадного окремнения пород. Действительно, наиболее крупные воронки и КС гидротермальных взрывов встречаются только на тех участках кальдеры, где наблюдается сочетание всех перечисленных условий. В качестве примера рассмотрено образование воронки озера Банного, где расход НзЭ был оценён автором (на основании формулы Стокса с использованием данных по барботированию на поверхности озера газовых пузырьков) в - 4«102 - 8*102 м3/сутки. Созданию здесь структурной ловушки для газа способствовало наличие локальной куплловидной зоны окремнения песчаников кэпрока. Локализация озера Банное и аналогичных воронок взрыва позволило сделать вывод, что такие воронки являются индикаторами вершинных частей высокотемпературных пламбингов, характеризующихся высокими расходами НгБ и приближением к поверхности изотермы 240°. Учитывая то, что эта изотерма на других ГТС находится на больших глубинах (Малкинская - 1800-2000 м, Кегкинскаяй - 2700-3000 м, Кошелев-ская и Мутновская - 200-300 м), сделан вывод о более высокой энергетической мощности ГТС кальдеры Узон по сравнению с другими ГТС Камчатки. Предполагается, что повышению температур могут способствовать здесь экзотермические реакции окисления восстановленных газов (механизм тепловой трубы).

На примере голоценового маара оз. Дальнего показано,что диаметры кольцевых структур фреатомагматических взрывов имеют размеры, превышающие диаметр сопутствующих им воронок (что характерно для заглублённых взрывов). Имеются признаки участия фреатомагматических процессов в формировании пологой мульдообраэ-ной воронки в центральной части термальной площадки Первого участка. Индикационная роль воронок и КС фреатомагматического взрыва состоит в том, что обрамляя экструзивно-субвулканический комплекс г.Белой. они трассируют приуроченную к его экзоконтактам питающую систему, по которой базальтовая магма поступала в близпо-верхностные части коры. Фреатомагматические взрывы происходили либо при достижении избыточного парциального давления газов (в первую очередь Н30 и СО;), либо же при внезапном притоке вод к скоплению магмы из-за неотектонических подвижек.

Магматические кольцевые структуры представлены несколькими типами. Определяющим для возникновения и развития ГТС явилось возникновение взрывной кальдеры с последующими просадками компенсационного типа при выносе магматического вещества из недр. Формирование её обусловлено высокой газонасыщенностью магм, индикатором которой являются здесь диатремы и пемзо-шлаковые дайки.

Вулканические кольцевые структуры в пределах кальдеры Узон чаще всего представлены диатремами и локальными эруптивными центрами. К одной из погребённых жерловин приурочен пламбинг Западного участка, тогда как другие погребённые под осадками отмершие докальдерные питающие каналы вулкана Узон служат путями циркуляции холодных вод (что подтверждается приуроченностью к соответствующим КС серии мелких термокарстовых озёр и, солюфлюкционных потоков). В основании кальдеры предполагается наличие магматического комплекса центрального типа (рис. б), с которым связана сложно построенная радиально-концентрическая система разрывов (частично дискордантных к кольцевым разрывам кальдерного обрамления). Центральную надапикальную часть комплекса занимает экструзивно - субвулканический комплекс г.Белой. Связанная с ним радиально-концентрическая система контролирует расположение крупнейших пламбингов Узон-Гейзерного ГТР.

Диатремы и центры фреатических взрывов приурочены к среднему концентру >той структуры. Оценка И и В источника деформаций (апикальной части скрытого интрузивного тела) на основании анализа поля напряжений дает несколько различные шачения для модели Коиде-Бхаттачарджи и модели Робертса и Барра. В среднем глубина залегания центра кривизны источника оценена в 1.5-2.7 км, а апикальная часть шеет асимметричное вертикальное сечение (более пологая кровля под Узоном, и более крутая - под Долиной Гейзеров); имеется нескольких выступов кровли; отмечена вытянуто сть в широтном направлении и большой радиус кривизны всего тела при небольших радиусах кривизны апикальных выступов. Обращено внимание на хорошую согласованность полученной методом индикации КС модели строения Узон-Гейзерного ГТР более ранним моделям Г.А.Карпова и В.Л.Леонова.

Глуби 0 ч -4 --0 - -12 _ -20 _ -24 . ~1Ь ч Узон Допина^Гейзвров \ .О* ^ Рис. б. Модель глубинного строения Узон-Гейзерной ГТС.

I-локальные источники деформации в основании кальдеры, интерпретируемые как магматические тела в пределах сложно построенного магматического комплекса центрального типа: 2 - локальные внутрикальдерные источники деформации; 3 - верхняя кромка сложно построенного магматического комплекса центрального типа, полученная как огибающая источников деформации в основании кальдеры; 4 - зоны концентрации тангенциальных напряжений, интерпретируемые как кальдерообразующие сбросы: 5 - надинтрузивная зона и вмещающие породы; 6 - внутрикальдерные комплексы пород; 7 - субгоризонтальные зоны концентрации нормальных растягивающих напряжений; 8 - кальдерный уступ; 9 - верхний геотермальный резервуар. Схема получена путём суперпозиции частных моделей для каждого из источников деформаций, сопряжённых с соответствующими кольцевыми структурами.

На основании анализа симметрии в распределении зон разгрузки сделан вывод о том. что источник теплового питания находится иод областью расположения радиуса кривизны линии, соединяющей ареалы области разгрузки. Как правило, такие зоны на поверхности не несут никаких признаков наличия терм, и до их подсечения скважинами считаются неперспективными (например, глубинная часть ВГР Сьерро-Прието в Мексике). В Узон-Гейзерном ГТР источник теплового питания находится под экструзией г. Белой, а прямолинейное расположение пламбингов системы определяется наличием крупной линейной региональной субширотной проницаемой зоны, секущей ВГР.

Таким образом, распадение единой системы на два изолированных в плане ВГР (Узонский и Гейзерный) типично только для верхней части системы, но не для глубоких горизонтов ГТР. Породы экструзий полностью изменены, и в настоящий момент итоговая низкая проницаемость пород комплекса может обеспечить поступление к поверхности только газов (холодные СОг-содержащие источники у основания г.Белой, газовые потоки Долины Смерти); зона сепарации газа из термального раствора расположена, вероятно, в основании экструзии. Отличительная особенность Узон-Гейзерного ГТР - пространственное совпадение экструзивно-субвулканического комплекса г.Белой с надинтрузивной зоной расположенного на глубине интрузивного комплекса. Это предопределило отсутствие термопроявлений в данной части системы.

Наиболее выраженные гшамбинги расположены на пересечении кольцевой системы трещин (над экструзивно-субвулканическим комплексом) и разрывов (сбросо-сдви-ги) линейной субширотной зоны повышенной проницаемости, а КС гидротермального взрыва локализованы только в этой субширотной зоне и находятся на одинаковом расстоянии друг от друга. Высказано предположение о наличии здесь границы с контрастными петрофизическими свойствами на глубине около 1.0-1.2 км. Вдоль этой же зоны наблюдается максимальный вынос сероводорода и наиболее высокие температуры источников. Предполагается, что конвективная система кальдеры Узон относится к двухконтурному типу, причем верхняя кромка водоупора, разделяющего ВГР в вертикальном сечении на две части (резервуары "а" и "Ь"), находится на глубине около 1.01.2 км. Нижний резервуар имеет источником теплового питания область под экструзией г.Белой, верхний питается водами из нижнего по системе зон перетока. Высказаны также предположения об источнике теплового питания ГТС на основании анализа зональности близвозрастных новейших магмопроявлений на основе сопоставления ГТС кальдеры Узон с хорошо изученной Мутновской ГТС. Так же, как и на Мутновской системе, здесь в центральной части располагаются фреатомагматические воронки и диатре-мы, связанные с поступлением магмы базальтового и андезито-базальтового состава в приповерхностную водонасыщенную часть системы. По периферии системы и у водоразделов они сменяются пемзо-шлаковыми дайками такого же состава2, а за пределами системы появляются типичные шлаковые конуса. На этом основании в главе сделан вывод, что питание системы осуществляется, вероятно, флюидизированной магмой основного состава. Малые интрузии кислых пород являются результатом локального плавления коры и распада основных расплавов при поступлении базальтовых магм в нижние горизонты ВГР, где вода в надкритических условиях приобретает в резервуаре характер "водной плазмы" из-за разрыва водородных связей. Приуроченность же терм к консолидированным (средне-верпсплейстоценовим) кислым телам обусловлена рассмотренными выше специфическими особенностями проницаемости среды у их контактов.

Кольцевые трещинно-метасоматнческие структуры представлены в кальдере Узон системами серных холмов, обрамляющими пламбинги. В главе рассмотрена возможность оценки объема метасоматической серной залежи на основе анализа их объёма (с учётом коэффициент разуплотнения) при образовании залежи метасоматической серы. Приуроченность только к рудоносным (Н[;,8Ь) шамбингам слабовыраженной радиальной системы трещиноватости позволяет высказать допущение о формировании на глубинах около 500-2000 м изометричного штокверка (возможно с рудной минерализацией). В пределах Узонско-Гейзерной системы выделено несколько метасоматически-зо-нальных кольцевых структур. Большинство из них соответствует проекциям на поверхность субвертикальных изометричных пламбингов и паровых резервуаров. Элементы строения таких структур трассируются дайками гидротермальных силицитов и зонами окремнения кальдерных отложений, с самозапечатыванием конвективной системы (в других местах кэпрок на ГТС кальдеры Узон практически отсутствует).

Гидротермальная система кальдеры Узон является уникальным объектом природы, позволяющим исследователю своими глазами увидеть процессы эндогенного гидротермального структурообразования. Уникальность Узон-Гейзерного геотермального района заключается не только в том, что здесь происходит современное рудоотложение (кальдера Узон), действуют многочисленные гейзеры (Долина Гейзеров), а интенсивность газовых потоков из недр такова, что именно здесь возникла одна из самых известных в мире геопатогенных зон (Долина Смерти). Уникально также обилие на Узоне воронок гидротермальных взрыв и удивительная на первый взгляд пространственная близость и взаимодействие многолетней мерзлоты и геотермальных явлений. В главе показано, что во многом уникальность обусловлена отсутствием значального кэпрока с самозапечатываением системы при кольматации пород из-за отложения кремнезёма.

2 эти дайки представляют собой, по существу, выполнение проницаемых зон высокотемпературной силикатной пеной, образование которой (по Ф.А.Летникову, 1985) связано со вскипанием флюидизированной магмы.

Это приводит к постоянному изменению структуры проницаемости в резервуаре, и как следствие - к интенсивной структурообразующей роли термальных вод. В пределах Долины Гейзеров на это накладываются условия значительных превышений рельефа, и как следствие - интенсификация склоновых процессов с образованием крупных каверн и полостей, необходимых для зарождения гейзерного режима разгрузки терм. Наличие силицитовых даек свидетельствует о том, что гейзерный режим был характерен и для предыдущих этапов развития ГТС кальдеры Узон. В дальнейшем на Узоне гейзеры исчезли из-за интенсивной кольматации пород в условиях стабильности территории (в отличие от Долине Гейзеров, где до сих пор не выработан равновесный профиль склонов).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Обобщение данных по эталонным (разбуренным скважинами) гидротермальным системам Камчатки с использованием методов компьютерной обработки информации и моделирования позволило сформулировать и обосновать основные защищаемые положения об особенностях кольцевых структур и глубинного строения гидротермальных систем:

1. Кольцевые структуры являются следствием действия эндогенных факторов, связанных с теиломассопереносом и (в зависимости от их иерархического ранга) контролируют размещение геотермальных районов, отдельных гидротермальных систем, их элементов (пламбинги) и локальных термальные струй.

2. В условиях гетерогенности строения резервуаров гидротермальных систем, при низкой проницаемости перекрывающих и подстилающих резервуар пород, решающим структурным фактором формирования пространственной структуры конвективных систем являются радиально-концентрические трещинные зоны очагового типа на высоко- и среднетепературных гидротермальных системах, и узлы пересечения региональной тектонической трещиноватости - в пределах низкотемпературных.

3. При значительной роли линейных региональных тектонических структур, в строении высоко- и среднетемпературных гидротермальных систем доминантными являются осесимметричные структуры, которые в значительной мере определяют геометрию проницаемых зон, по которым осуществляется тепломассоперенос на этих системах.

4. Существующие наработки в теории кольцевых структур позволяют по внешним их признакам решить, с известной долей вероятности, обратную задачу в соотношении "причина - следствие" (процесс - отклик), получив таким образом модель глубинного строения гидротермальной системы, как совокупность источников деформации и связанных с ними проницаемых зон.

5. Обилие в кальдере Узон воронок фреатических взрывов и кольцевых структур гидротермального происхождения обусловлено отсутствием первичного кэпрока, коль-матацией пород гидротермального резервуара и значительным количеством локальных источников деформаций в недрах гидротермальной системы.

Комплексное исследование кольцевых структур и глубинного строения современных гидротермальных систем Камчатки показало хорошую степень согласованности между оценочными и наблюдаемыми параметрами систем, что подтверждает работоспособность метода, а выявленные закономерности адекватно отражают основные особенности строения гидротермальных систем. Проведенный анализ позволяет наметить основные перспективные направления дальнейших исследований индикационной роли кольцевых структур на гидротермальных системах, в первую очередь это изучение ие-рерахических соотношений структур между собой и с элементами строения гидротермальных систем, а также выявление связей между кольцевыми и региональными линейными структурами в пределах геотермальных районов.

Основные результаты работы изложены в следующих публикациях:

1. Протрузии под вулканами островных дуг и вулканические взрывы (на примере четвертичных вулканов Камчатки) // Пятая международная конференция по тектонике плит (памяти Л.П.Зонен-шайна) (Тектоника плит как основа при изучении окружающей среды, палеосреды и глобального обмена) 22-25 ноября 1995,г., Москва, (совместно с АИ. Байковым).

2. Рудоносная гранитоидная вулкано-плутоническая ассоциация в спиралевидной структуре вулкано-купольного поднятия на территории Южной Камчатки //Гранитоидные вулкано-плу-тонические ассоциации: петрология, геодинамика, металлогения. Тезисы к Всероссийскому совещанию (21-23 мая 1997 г., Сыктывкар). Сыктывкар: КНЦ УО РАН. 1997. (совместно с А.И.Байковым и Ю.Д. Кузьминым).

3. Высокотемпературные гидротермальные системы на стратовулканах - современные аналоги золоторудных месторождений //Вулканизм, структуры и рудообразование. Тезисы докл.УП Всесо-юзного..вулканологического совещания. П.-Камч.: ИВ ДВО РАН,- 1992.-С.72-73. (совместно с В.И. Белоусовым и С.Н. Рычаговым).

,, 4. Связь полей морфоструктур центрального типа с глубинным строением земной коры //Глубинное строение концентрических морфоструктур Дальнего Востока. В.:ДВНЦ АН СССР.-1982,- С.55-66. (совместно с М.М. Василевским).

5. Структурно-гидродинамические факторы локализации гидротерм в вулканических областях II Вулканизм и связанные с ним процессы. Вып.З, Геотермия,действующие гидротермальные системы и рудообразование. Тез.докл. VI Всес. вулканологического совещания,- П.-Камчатский: ИВ ДВО АН СССР.-1985-С.25-27. (совместное В. А Воронковым).

6. Строение , состав и происхождение андезитового купола горы Мишенной (Камчатка) //Вулканология и сейсмология. -1S86.-N6.-C.29-45. (совместно с E.H.Гриб и С.А. Федотовым).

7. Петропавловск-Камчатский и его окрестности II Путеводитель научных экскурсий. "Активные вулканы и гидротермальные системы Камчатки". П.-Камчатский: ИВ ДВО АН СССР.- 1985-С. 149-163. (совместно с E.H. Гриб E.H. и Н.А.Храмовым).

8. Возможности использования ЭВМ для морфострукгурного анализа рельефа (на примере Камчатки) //Геологическое строение и полезные ископаемые Камчатки (тезисы докладов). Пятая Камчатская геологическая конференция (20-22 апреля 1983 г.).- П.-Камчатский.-1983.-С. 192-193.

9. Вулканические структуры и гидротермальный процесс: сравнительный анализ современных и древних систем II Вулканические структуры (проблемы образования и связанная с ними металлогения). Тезисы докл. VII Всес. палеовулканол.симпозиума (июнь 1986г., Ташкент). - Ташкент: САИГИМС - 1936. -С 11-13.

10. Регулярность пространственного распределения элементов геологического строения Камчатки //Вулканизм и связанные с ним процессы. Вып. 1.Вулканическая деятельность.ее механизм, связь с геодинамикой,прогноз извержений и землетрясений. (Тез.докл.У! Всес. вулканол. совещ.). - П.-Камч,: ИВ ДВО СССР,- 1985,- С.148-150.

11. Диагностика кольцевых структур в естественных полях Паужетского геотермального месторождения //Вулканологические исследования на Камчатке. Тезисы докл. конференции молодых ученых - вулканологов,- П.-Камчатский.: ИВ ДВНЦ АН СССР. - 1985,- С.66-70.

12. Объемные модели рудных гидротермальных месторождений //Тезисы докл. VII Всес. па-леовулканол.симпозиума (июнь 1986г., Ташкент). - Ташкент: САИГИМС,- 1986,- С.127-129.

13. Способ прогноза геотермальных месторождений //Фундаментальные науки - народному хозяйству. М.:Наука. - 1990,- С.487-488.

14. Изменения в структуре растительного покрова при эксплуатации Паужетского геотермального месторождения //Вопросы географии Камчатки.-Вып.Ю. П.-Камч.: Камч.кн.изд.-во.-1990,- С.121-126.

15. Морфострукгура и строение района Петропавловского горста //Вопросы географии Камчатки. 1990, вып.10 - С. 143-150.

16. Механизмы потери гравитационной устойчивости вулканической постройки (на примере Ключевского вулкана) //Вулканология и сейсмология.-1994. -N.6.-C.64-80.

17. Региональные осесимметричные структуры литосферы и современные гидротермальные системы Камчатской островной дуги //Закономерности эволюции земной коры. Т.2. Тезисы докладов международной конференции 60 лет НИИ земной коры им.Ф.Ю.Левинсон-Лессинга при СПбУ. СПб: СПбУ. С.70.

18. Объемное компьютерное геологическое моделирование современных гидротермальных систем Камчатки II Науки о Земле на пороге XXI века. М.: ИГЕМ. - 1997.

19. Картирование сейсмоактивных разрывов и разломов на территории г.Петропавловска-Камчатского //Сейсмическая безопасность урбанизированных территорий. 1-я Международная Научно-практическая конференция, 12-16 февраля 1996 г. г.Петропавловск-Камчатский.-1996. (совместно с В.И. Андреевым. Ю.Д.Кузьминым, Т.Г.Константиновой, И.С.Уткиным и АЮ.Поляковым).

20. Использование марковских свойств минеральных парагенезиеов при минералогическом картировании эпитермальных месторождений //Минералогическое картирование рудных полей и месторождений (Тезисы . докладов III Всесоюзного минералогического семинара (4-7 октября 1983г.).-Свердловск-Миасс.-1983.-С.17-18. (совместно с С.Н. Рычаговым).

21. Пульсации Земли как механизм, ответственный за формирование глобальных вулканических поясов: альтернатива неомобилизму //Сводные и палеовулканологические карты. Вулканизм и металлогения Средней Азии. Общие вопросы палеовулканизма.-Тезисы докл. VII Всес. лалеовул-канол. симпозиума (июнь 1986г.. Ташкент). - Ташкент: САИГИМС,- 1986,- С.127-129. (совместно с Б.И. Самойленко Б.И.).

22. Минералого-геохимические критерии оползневой устойчивости склонов в связи с проблемами геоэкологического мониторинга городских агломераций, расположенных в тектонически активных районах (на примере Камчатки) II Проблемы экологической минералогии и геохимии. Тезисы к Годичному собранию и заседанию Ученого совета Минералогического общества при РАН 21-23 мая 1997 г. СПб: ВМО РАН. 1997. (совместно с И.Б.Словцовым).

23. Диагностика высокотемпературных гидротермальных резервуаров в областях современного вулканизма //Вулканизм,структуры и рудообразование. Тезисы докл. VII Всесоюзного вулканологического совещания. П.-Камч.: ИВ ДВО РАН,- 1992,- С.85-86. (совместно с А.В.Кирюхиным. Д.Н. Гусевым, И.Б.Словцовым и М.Г.Журавлевым).

24. Высокотемпературные гидротермальные резервуары. М.:Наука.-1991.-160с. (совместно с А.В.Кирюхиным и Д.Н.Гусевым).

25. Способ захоронения жидких радиоактивных и других химически вредных жидких отходов -Патент на изобретение N 2001454 Россия. - RU.- 2001454 С1. - МКИ5 G 21 F 9/24. - Заявка N 5024839 /25 от 13 декабря 1991г. - Зарегистрировано 15 октября 1993 г. (совместно с В.И.Белоусовым, А.И. Вайнером, Ю.Д.Кузьминым, В.АОлещуком, А.Л.Павловым, В.Г.Ренне, АИ.Симдяновым, В.М.Суг-робовым и Е.Г.Федоровым).

26. Идентификация потоков теплоносителя в пределах участка "Дачный" Мутновского геотермального месторождения //Вулканологические исследования на Камчатке. Тезисы докладов конференции молодых ученых-вулканологов. П.-Камч.: ИВ ДВО СССР,- 1990.-С.37-40. (совместно с А.В.Кирюхиным, И.Б.Словцовым и Д.Н.Гусевым).

27. Методы оперативного прогнозирования полезных ископаемых //Геологическое строение и полезные ископаемые Камчатки (тезисы докладов). Пятая Камчатская геологическая конференция (20-22 апреля 1983 г.).- П.-Камчатский.-1983.-С.139-141. (совместно с С.Н.Рычаговым).

28. Прогнозно-металлогенические карты на новой структурной основе (принципы создания) //Геологическое строение и полезные ископаемые Камчатки (тезисы докладов). Пятая Камчатская геологическая конференция (20-22 апреля 1983 г.).- П.-Камчатский,- 1983.-С. 136-133. (совместно с С.Н.Рычаговым).

29. Структурный аспект картирования минеральных рудных ассоциаций вулканогенных месторождений //Минералогическое картирование рудных полей и месторождений (Тезисы докладов III Всесоюзного минералогического семинара (4-7 октября 1933г.).-Свердловск-Миасс.-1983.-С. 17-18. (совместно с С.Н.Рычаговым).

30. Иерархическая блоковая структура современных и неоген-четвертичных гидротермальных систем как фактор прогноза геотермальных и минеральных ресурсов вулканических областей //Вулканизм,структуры и рудообразование. Тезисы докл. VII Всесоюзного вулканологического совещания. П.-Камч.: ИВ ДВО РАН,- 1992,- С.96-97. (совместно с С.Н.Рычаговым, О.П.Гончаренко, Н. С.Жатнуевым, А. Д. Коробов, В. М. Л адыгиным).

31. Опыт использования морфоструктурного анализа при прогнозировании термальных вод (на примере Южной Камчатки) //Тез.докл. Всес.совещ.по подземным водам Сибири и Дальнего Востока). Иркутск: ИЗК СО АН СССР.-1988,- С.56-57. (совместно с Ю.М.Стефановым и Г,Г. Храмовой).

32. Структура гидротермальной системы М.:Наука,- 1993.- 298с. (совместно с С,Н.Рычаговым, Г.П.Сандимировой и др.).

33. Protrusions beneath volcanoes and volcanic explosions (with reference to Kamchatka) II 5th Int. Conf. of Plate Tectonics. M.-1995. (совместно с А И. Байковым).

34. Volcanic geology //Volcanology. Review (1985-1987). Institute of Volcanology: 1988. 64-68.

35. Danger of a potential destruction of the cones of the Kluchevskoy and Koryaksky volcanoes,Kamchatka II International Workshop on Volcanoes Commemorating The 50-th Anniversary of Mt.Shova-Shinzan, 12-15 October 1995. Abstracts & Short Papers. Takinomachi 245, Hokkaido,Japan. -1995. (созместно с А.И.Байковым).

36. Structure and tectonophysics environments of ore bodies and hydroterm streams localosation in the long lived hydrotermal megasystems of Kamchatka //Ancient volcanism and modern analogues. Abstracts & Short Papers / General Assembly IAVCEI. Canberra, 25th September - 1st October 1993. (совместно с И.Д.Петронко и Н.М.Большаковым).

37. Recent high temperature water-rock interaction at the Mutnovsky Geothermal Field //8th International Symposium on Water-Rock Interaction. Vladivostok, 13-28 August 1995,- Vladivostok-1995. (совместно с И.Б.Словцовым и АВ.Кирюхиным).

38. Self-potential monitoring around wells in Mutnovsky Geothermal Field in Kamchatka // J. Geoth. Res. Soc of Japan. 1997. v. 19, № 3. P. 157-164 (in japanese, abstract in english), (совместно с H. Мацушима, Т. Тоша, Т. Ишидо и АВ.Кирюхиным).