Транспорт элементов и условия минералообразования в зонах разгрузки высокотемпературных фумарол на вулкане Мутновский, Камчатка

• Автор: Зеленский, Михаил Евгеньевич
• Шифр специальности: 25.00.09
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2003
• Место защиты: Петропавловск-Камчатский
• Количество страниц: 119 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. ПРЕДЫДУЩИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Глава 2. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА И СОВРЕМЕННАЯ

АКТИВНОСТЬ ВУЛКАНА

Глава 3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Полевые исследования

3.2. Аналитические методы

3.3. Термодинамическое моделирование

Глава 4. ФУМАРОЛЬНЫЕ ГАЗЫ ВУЛКАНА МУТНОВСКИЙ

Глава 5. ПРИРОДНЫЕ МИНЕРАЛЬНЫЕ АССОЦИАЦИИ КРАТЕРА
АКТИВНАЯ ВОРОНКА
Глава 6. СУБЛИМАТЫ В КВАРЦЕВЫХ ТРУБКАХ
Глава 7. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХИМИЧЕСКОГО СОСТАВА ИНКРУСТАЦИЙ, СУБЛИМАТОВ И ВМЕЩАЮЩИХ ПОРОД
Глава 8. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ
Глава 9. ОЦЕНКА ВЫНОСА ЭЛЕМЕНТОВ ФУМАРОЛЬНЫМИ
ГАЗАМИ ВУЛКАНА МУТНОВСКИЙ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Вулканические газы играют важную роль в магматических и рудообразующих процессах, оказывают влияние на состав атмосферы и климат планеты. Однако из-за сложностей, возникающих при отборе и исследовании проб, продукты вулканических эмиссий изучены гораздо слабее твердых продуктов вулканизма. Пробы вулканических газов, содержащие по возможности большую долю ювенильного вещества и в значительной степени сохранившие свойства, характерные для магматических флюидов, можно получить во время эффузивных извержений, на лавовых озерах, и на фумарольных полях активных вулканов. Наибольший интерес представляют высокотемпературные (свыше 500°С) фумарольные газы, поскольку они содержат существенную долю летучих компонентов, отделяющихся непосредственно от магмы или остывающего интрузивного тела.
Условия на вулканах, а именно, присутствие в газах галогенов, высокие температуры и разгрузка, достигающая даже на спокойно дегазирующих вулканах десятков тысяч тонн фумарольных газов в сутки, благоприятны для транспорта в значительных масштабах различных металлов, образующих летучие соединения, и неметаллических элементов (Аэ, БЬ, Бе, Те). На фумарольных полях в зоне геохимического барьера происходит осаждение элементов, а также взаимодействие газов с вмещающими породами. Скорости метасоматоза и минералообразования таковы, что позволяют вести наблюдения в реальном времени, а система вулканический газ -минерал сравнительно просто поддается моделированию как экспериментально, так и с помощью методов равновесной термодинамики. Таким образом, высокотемпературные фумаролы дают возможность: а) получить пробы газа, наиболее близкие по составу к магматическим флюидам, и оценить долю ювенильных и экзогенных источников воды и вещества; б) изучить процессы переноса металлов фума-рольными газами (транспортные реакции) и взаимодействие магматических флюидов с породами; в) определить объемы выносимых тяжелых металлов и токсичных элементов для оценки воздействия данного вулкана на окружающую среду. Сведения, полученные при изучении самых информативных высокотемпературных фума-рол, можно существенно уточнить и дополнить, изучая составы газов и вод и условия их разгрузки на относительно низкотемпературных термопроявлениях вулкана.
Цель данной работы - установить на примере Мутновского вулкана формы нахождения и масштабы переноса элементов в газовой фазе с определением их веро-
ятных источников и условий формирования твердых фаз в зоне разгрузки газов на дневной поверхности.
Объект и методы. Газы можно исследовать путем непосредственного опробования или изучая результаты процессов, сопровождающих разгрузку газов на дневную поверхность. Непосредственное наблюдение и опробование чрезвычайно важны, поскольку большую часть подобной информации получить другими способами невозможно. Сюда относятся физические параметры газовых струй в зоне разгрузки, содержание главных компонентов в газе, изотопный состав водяного пара и других компонентов газа, а также вариации этих параметров во времени,
В то же время определение микрокомпонентного состава газов находится на грани возможностей современных методов. Непосредственно определить содержание микроэлементов в горячих и агрессивных фумарольных газах in situ пока весьма затруднительно. Анализу подвергают не сами газы, а их сжиженные пробы - конденсаты. Концентрации многих элементов в конденсате крайне малы, а методы их определения сложны и не всегда способны дать достоверный результат. Исследование фумарольных новообразований и изменений, произошедших в химическом составе пород в результате длительного воздействия фумарольных газов, способно на качественном уровне дать ответ на вопрос о присутствии в газе тех или иных компонентов, содержащихся в крайне малых количествах.
Фумарольные инкрустации представляют собой особую совокупность минеральных фаз, сформировавшуюся в результате нескольких процессов. В отдельную категорию выделяют сублиматы - твердые фазы, осаждающиеся непосредственно из газа. Осаждение происходит при снижении температуры на любой поверхности, которая в данном случае не принимает участия в химических реакциях и служит инертной подложкой. Сублиматы образуют хорошо ограненные кристаллы, а в состав их, как правило, входят элементы, содержащиеся в породах в малых количествах. Фазовый и химический состав сублиматов определяется составом газа, из которого они сформировались. Инкрустации состоят как из сублиматов, так и минералов, образовавшихся в результате взаимодействия вулканических пород с фумарольными газами, содержащими химически активные вещества - HF, НС1, SO2, обычно в присутствии кислорода и воды атмосферных осадков. Главным образом это минералы кремнезема (кристобалит, тридимит, опал), различные сульфаты, фториды и хлориды.
Сублиматы можно получить искусственно. Для этого в устье фумаролы опускают трубку из инертного материала, обычно из кварцевого стекла. Из проходящего
Глава 4. ФУМАРОЛЬНЫЕ ГАЗЫ ВУЛКАНА МУТНОВСКИЙ
В начале главе охарактеризованы изотопные (Ш-й180) и химические составы фумарольных газов для вулкана в целом. Проанализирована связь условий разгрузки с температурами газов. Далее рассматривается микроэлементный состав конденсатов наиболее высокотемпературных фумарол Активной воронки и возможное происхождение некоторых элементов.
Химический состав фумарольных газов Активной воронки (табл. 4.1, 4.2) несколько отличается от определений, выполненных предыдущими исследователями [46, 51, 55]. Содержание НС1 меньше в 1,5-2 раза, а содержания СОг и 80г, наоборот, больше в 1,2-2,5 раза. Концентрации Ю сопоставимы. Содержание Н2О в газах находится в пределах 91,5-94 мае. %, что меньше значений, полученных ранее (93,7-97,5 мае. %). Наиболее значительны расхождения между нашими и более ранними анализами химического состава газов для Донного фумарольного поля. Вероятно, это можно объяснить произошедшими изменениями в фумарольной деятельности. В частности, на поле появились фумаролы с температурами 160-250°С, а из бывшего бессточного кипящего котла вытекает ручей с расходом ~3 л/сек.
Таблица 4.1. Химический состав фумарольных газов, пробы 2001 г., мг/кг
Проба Т,°С н2о О о НгБ БОг НС1 ОТ НВг СО СК, н2 Не
А1 507 928000 32800 5800 28500 3400 660 3,7 3,60 0,092 33 0,
А2 196 938000 21600 6300 29600 3750 80 4,4 0,0068 0,10 0,26 0,
АЗ 309 941000 33400 2900 18600 2850 450 3,4 0,010 0,091 0,89 0,
А4 240 918000 25900 10300 41000 3950 140 4,9 0,0068 0,045 0,79 0,
А5 410 923000 34500 5700 31400 3850 820 4,1 0,19 0,064 5,2 0,
А6 450 914000 24800 8800 46300 4600 870 6,1 0,34 0,040 13 0,
А7 383 925000 38800 5700 26000 2900 370 2,6 0,088 0,13 3,5 0,
А8 153 971000 12300 5100 3100 4800 28 1,8 0,12 2,5 0,93 0,
А9 281 983000 13700 1100 1500 80 8 0,0098 28,3 0,55 0,0
Примечание. А1-А7 - кратер Активная воронка; А8 - Донное поле; А9 - Верхнее поле. Пробы отобраны Зеленским М.Е. Анализы газов выполнены в ИВГиГ и ИВ ДВО РАН (аналитики Шапарь В.Н, Тимофеева И.Ф.) Содержание НВг определяли в лаборатории ядерно-физических и масс-спек-тральных методов анализа, ИПТМ РАН (зав. лаб. Карандашев В.К.)
Изотопные составы (Ш-5180) водяного пара фумарольных газов Мутновского вулкана (табл. 4.3. и рис. 4.1) расположены вдоль линии смешения магматических вод с локальными метеорньми водами (табл. 4.4).